人體是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化開放式的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有高智能、自組織、自調(diào)節(jié)、自穩(wěn)態(tài)等特征，通過能量信息傳遞進(jìn)行新陳代謝，自我更新、自我修復(fù)、自行運(yùn)動(dòng)、自我繁衍。對人的生命活動(dòng)本質(zhì)規(guī)律的揭示應(yīng)該是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)交叉融合的主攻方向。
就生命科學(xué)領(lǐng)域而言，需要揭示三大基本科學(xué)問題：解析組成生命體的微觀結(jié)構(gòu)，探索結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示結(jié)構(gòu)及其功能的時(shí)相性變化規(guī)律。
生命活動(dòng)的本質(zhì)從以還原論為代表的微觀角度理解，是蛋白質(zhì)及其他生物大分子的同化作用和異化作用的對立統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)過程，以生物大分子自我更新、自我復(fù)制、自我調(diào)節(jié)為機(jī)制；
從宏觀角度理解，是維系人體生命活動(dòng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在演變中所表征的高智能、自組織、自調(diào)節(jié)、自穩(wěn)態(tài)，新陳代謝、自我修復(fù)、自我繁衍的過程，維系機(jī)制是能量信息的網(wǎng)絡(luò)化傳遞。
筆者認(rèn)為，生命科學(xué)研究應(yīng)該是還原論、整體論、信息科學(xué)三者的深度融合，以基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、微生物組學(xué)、單細(xì)胞圖譜刻畫等為代表的生命科學(xué)技術(shù)，從超微觀的分子、微觀的生物大分子、亞細(xì)胞、細(xì)胞、細(xì)胞間聯(lián)系到組織、器官、系統(tǒng)和整體等多個(gè)層面，系統(tǒng)解析人體結(jié)構(gòu)，探索結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)研究組織器官細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其功能的時(shí)空變化，獲取海量的生命活動(dòng)數(shù)據(jù)知識(shí)，并轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，模擬、復(fù)現(xiàn)或再現(xiàn)相關(guān)生命活動(dòng)過程，系統(tǒng)解密生命活動(dòng)的本質(zhì)。這是生命科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向和追求的目標(biāo)。
醫(yī)學(xué)科學(xué)與以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和量子計(jì)算為代表的信息技術(shù)深度融合，是促進(jìn)生命科學(xué)進(jìn)步的必然途徑。
生命科學(xué)的困境
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)解決了生命科學(xué)領(lǐng)域的部分難題，人類健康維護(hù)有了明顯進(jìn)步，疾病譜發(fā)生了改變。
但是，由于至今尚未從整體上系統(tǒng)揭示人類生命活動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律，使我們在健康領(lǐng)域仍然處于有些老病未解、新病不斷出現(xiàn)的窘境。主要表現(xiàn)在以下方面。
一是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進(jìn)步緩慢。后基因組時(shí)代，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對疾病的認(rèn)知和治療并沒有本質(zhì)上的突破，比如沃森在2013年甚至宣稱：多少年來想通過基因序列治療癌癥和其他疾病是“沒價(jià)值的”。
過度依賴基因?qū)用娴闹委熯x項(xiàng)，對某些疾病的治療總體上很可能是退步了，而且增加了很多費(fèi)用。
二是生命科學(xué)研究缺乏公理體系和數(shù)學(xué)計(jì)算?，F(xiàn)代自然科學(xué)是建立在受控實(shí)驗(yàn)所得到的公理之上，關(guān)鍵在于邏輯化和公理化；醫(yī)學(xué)研究是建立在結(jié)構(gòu)學(xué)、功能學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)觀察之上，這些觀察結(jié)果未能實(shí)現(xiàn)數(shù)理邏輯上的公理化。
數(shù)學(xué)家在生物學(xué)中取得的成功遠(yuǎn)不及在物理化學(xué)方面，沒有形成計(jì)算醫(yī)學(xué)的研究范式，DNA螺旋依然只能觀測一些二維現(xiàn)象，還未能系統(tǒng)揭示三維、四維的內(nèi)在分子互作關(guān)系上的數(shù)理邏輯機(jī)制。
三是一些新方法運(yùn)用不能從根本上促進(jìn)醫(yī)學(xué)進(jìn)步。人類醫(yī)學(xué)仍然停留在傳統(tǒng)時(shí)代，依然在用天然的和化學(xué)的物質(zhì)去對抗治療疾病，對整體生命活動(dòng)改善有限；
外科手術(shù)演變成微創(chuàng)治療，但微創(chuàng)仍是外科手術(shù)的一種，這種技術(shù)的“發(fā)展”是以丟掉組織為代價(jià)來治療疾病的。
而現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)、人工智能醫(yī)學(xué)只是信息技術(shù)本身的進(jìn)步與拓展，還沒有實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)與信息科學(xué)的真正融合，形成相互促進(jìn)式的發(fā)展。
需揭示的三大問題
一是解析人體微觀結(jié)構(gòu)。細(xì)胞是生命體的核心單元，人體是一個(gè)由約37萬億~40萬億個(gè)細(xì)胞構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。目前微流控細(xì)胞分離、單細(xì)胞DNA/RNA測序、細(xì)胞原位分析、質(zhì)譜流式細(xì)胞分析等技術(shù)已經(jīng)逐漸建立并用于單細(xì)胞分析。
單細(xì)胞檢測技術(shù)會(huì)產(chǎn)生包括DNA序列、RNA序列蛋白質(zhì)等生物分子組成，以及它們的細(xì)胞空間位置等海量數(shù)據(jù)，應(yīng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 用生物信息學(xué)方法從中篩選出有用的信息來建立細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖譜數(shù)據(jù)庫。
如通過目前的形態(tài)表征差異來區(qū)分不同的細(xì)胞，推測人體的細(xì)胞類型可能有200到300種不等，但如果用單細(xì)胞圖譜刻畫技術(shù)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有上萬種類型的細(xì)胞。
二是探索結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。轉(zhuǎn)錄水平本身在許多情況下不足以用來預(yù)測蛋白質(zhì)表達(dá)水平以及解釋基因型與表型的關(guān)系。
以復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的整體論作為方法論，探索在生物分子、細(xì)胞、組織、器官等多個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)之間相互作用中“涌現(xiàn)”出的新屬性，系統(tǒng)探索它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有利于提升從微觀層面系統(tǒng)認(rèn)知健康與疾病的特征，研發(fā)具有多靶性系統(tǒng)性調(diào)節(jié)和干預(yù)的新藥。
三是揭示結(jié)構(gòu)及其功能的時(shí)相性變化規(guī)律。自然界任何物質(zhì)都是在不斷演變的，人體從受精卵形成時(shí)起到生命活動(dòng)結(jié)束，所有組織結(jié)構(gòu)及其功能無不發(fā)生時(shí)相性的變化。
揭示隨時(shí)間變化的生物大分子變構(gòu)及細(xì)胞狀態(tài)特征、瞬時(shí)屬性、細(xì)胞數(shù)量等信息，以及不同健康狀況、不同基因型、不同生活方式和生活環(huán)境下的生物大分子變構(gòu)及細(xì)胞狀態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，是認(rèn)知生命活動(dòng)規(guī)律的方法和路徑。
采用密集數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)范式，挖掘隱藏于高維、高通量多維融合的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中的新洞見，將生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，以生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，以人工智能算法對模型進(jìn)行迭代、訓(xùn)練，輸出旨在揭示逼近于真實(shí)的生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的時(shí)相變化表征。
新的方法論及其科學(xué)意義
生命科學(xué)研究的方法論是解析生命體微觀系統(tǒng)性、復(fù)原宏觀整體性。人體經(jīng)絡(luò)可能是能量信息流縱橫交錯(cuò)、由表及里的網(wǎng)絡(luò)化傳輸模式。維系機(jī)體生命活動(dòng)的能量信息由表及里地傳遞于各系統(tǒng)間、器官間、組織間、細(xì)胞間、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)間。
能量信息還與體外環(huán)境、體表體腔微生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通交換。經(jīng)絡(luò)的載體形式可能是：細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜、細(xì)胞間鏈接、組織內(nèi)及組織間結(jié)締組織，這種網(wǎng)絡(luò)化的物理結(jié)構(gòu)可能是信息能量的傳遞通道（信道）。
人體的這種能量信息網(wǎng)絡(luò)（經(jīng)絡(luò)）用現(xiàn)代物理及信息技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)可視化。
刻畫人體能量信息網(wǎng)絡(luò)傳遞機(jī)制的三大工具為生命大數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、人工智能。
生命科學(xué)大數(shù)據(jù)將是揭秘生命活動(dòng)本質(zhì)的基礎(chǔ)，將是人類有史以來數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、規(guī)模最龐大、內(nèi)容最豐富的科學(xué)大數(shù)據(jù)。
數(shù)學(xué)模型是龐雜生命科學(xué)大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)定量分析和集成的基礎(chǔ)，依據(jù)人體生命科學(xué)大數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，有可能揭秘生命科學(xué)大數(shù)據(jù)背后生命活動(dòng)規(guī)律的數(shù)理邏輯表達(dá)，有效模擬、再現(xiàn)或復(fù)現(xiàn)微觀和宏觀生命活動(dòng)過程，重構(gòu)生命體四維結(jié)構(gòu)，揭示結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和時(shí)相性變化規(guī)律，以及物質(zhì)、能量與信息轉(zhuǎn)化形式。
通過人工智能，自動(dòng)化自適應(yīng)構(gòu)建數(shù)字人體模型，以定性定量定位描述生命活動(dòng)的狀態(tài)、健康水平、疾病程度及治療效果和轉(zhuǎn)歸。
對人體生命系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解析的科學(xué)意義包括以下幾個(gè)方面。
一是改變生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｋ赡軙?huì)改變生命科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究范式，能減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用，用數(shù)字疾病模型替代動(dòng)物疾病模型。
二是全球合作共享。關(guān)系人類生存、健康和可持續(xù)發(fā)展的重要科學(xué)進(jìn)展能推動(dòng)全球生命科學(xué)領(lǐng)域的交流合作。
三是全面認(rèn)知生命。把局部生命物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和演化現(xiàn)象，放到人體生命系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的體系中去評(píng)價(jià)，對精確診斷及治療、維護(hù)人類身心健康有極大價(jià)值和意義。
四是促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仿生學(xué)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)全面進(jìn)步。人體生命系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解析為人工互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提供了仿生學(xué)基礎(chǔ)。人體能量信息網(wǎng)絡(luò)有可能是最科學(xué)、最智能、自組織性最高的網(wǎng)絡(luò)模式。人體生命系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解析成果可以引領(lǐng)其他科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)化學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、數(shù)學(xué)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的全面進(jìn)步。
（作者系中國工程院院士、九三學(xué)社中央委員會(huì)副主席）
（本文轉(zhuǎn)載自《中國科學(xué)報(bào)》2020-08-26第1版 要聞，原題《生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破須與信息技術(shù)深度融合》）
