一場聚焦生命科學的論壇，為何數學家、物理學家、計算機科學家都來了？在今天（10月31日）舉行的第四屆世界頂尖科學家論壇·生命科學3.0和交叉研究論壇上，“複雜”是這些“頂尖大腦”們對生命現象的共識。無論是蛋白質還是大腦，其數量之龐大、結構之複雜，都令人類既有的研究手段顯得相形見絀。
而今，各學科的大交叉、大融合，正在推動生命科學從過去描述性、定性研究階段，向全域性性、定量研究階段發展。這一過程帶來的巨大變化，甚至使年輕科學家“無需向前輩請教”，因為太多顛覆式創新可能無法預測。
離開數理化
人類對生命的理解如同小學生看莎翁作品
“我撰寫教科書《細胞生物化學》至今已有43年，但每次修訂，我都感覺有很多東西還沒弄明白。”2016年拉斯克醫學特別成就獎得主布魯斯·阿爾伯茨說，生命之複雜是他這輩子科研生涯中印象最深刻的事，“想要用簡單的網路線路圖表現清楚生命體中的訊號通路，離開數學和計算工具，是難以想象的”。
事實上，早在上世紀四十年代，物理學家就已經提出了類似想法，但學科之間的融合卻十分緩慢。“哪怕是最簡單的細胞，也有四百多個基因，每三小時分裂一次，並透過複雜的蛋白網路協作，計算生物學在此類細胞分析研究中能起到很好的作用。”阿爾伯茨認為，更深入理解生命現象，非常需要數學、物理等學科的介入，如果離開這些工具，人類對生命本質的理解就如同“用小學一年級的詞彙與思維去理解莎士比亞作品”一樣茫然。
他呼籲，青年科學家不要“趕時髦”，應踏踏實實做好基礎研究。阿爾伯茨展示了一張照片，“我的研究團隊成員來自各個不同國家，但我們一起工作。”他認為，生命科學需要更多的開放，與更多學科融合，才能最終破解生命之謎。
2020年圖靈獎得主阿爾弗雷德·艾侯認為，計算生物學將生物、化學、計算機、醫學、物理、哲學等融合在一起，“它還有潛力融合更多學科”。最初的編碼器由IBM公司花費了18年才完成，而現在，一個計算機專業博士生就能開發出一個。在算力曾幾何級增長的當下，計算生物學必將推動生命科學進入一番新天地。
沒有先入為主的成見
跨界帶來更多靈感啟發
“我是一名物理學家，後來卻進入了生物領域，因為沒有先入為主的成見，跨界為我帶來了更多靈感。”華盛頓大學物理系教授詹斯·岡拉克因引力和暗物質研究而獲得2020年科學突破獎，在昨天的論壇上，他卻談起了自己生物學研究的得意之作——DNA奈米孔測序。
這是一個險些“夭折”的專案。作為一個物理學家，當他的實驗室需要一種帶負電的孔洞讓DNA分子透過時，第一想法自然是用氧化矽之類的固體材料來設計。然而，岡拉克卻發現一種細菌蛋白天然就滿足實驗所需幾何結構的要求，而且非常有韌性。於是，他就想用這種細菌來作為孔洞材料。可是，他碰到一個令人啼笑皆非的結果：DNA進不去這個看似非常合適的孔洞。
“當時我不瞭解生物工程，不知道對細菌改造還挺容易，差點就放棄了這個專案。”岡拉克說，幸好他在與一位同事交流中得知這一資訊，最終使DNA順利通過了這種蛋白奈米孔洞，從而完成了這項在DNA奈米孔測序上具有奠基意義的研究。
2013年諾貝爾生理學或醫學獎得主詹姆斯·羅斯曼也十分善於“跨界”，他早年學物理，又學過醫學，然後轉向生命科學。從年輕時代開始，他就喜歡嘗試將不同學科知識融會貫通來解決實際問題。13年前，他出任耶魯大學細胞生物學系系主任，就大量招收不同學科背景的年輕學者，以拓寬研究領域，營造學科交叉的氛圍。
“在同一個系，有十幾名年輕教授都在從事同一方向研究，比如光鑷、單分子工具等，結果非常成功。”在羅斯曼看來，把研究路徑設得太明確不是一件好事，只有不斷互動，年輕科學家才能不停成長。
物理學曾推動數學發展
下一個推動者將是生命科學
毋庸置疑，生命科學發展受益於學科交叉融合。浙江大學求是講席教授周如鴻說，工業革命後，生命科學發生了兩次革命：第一次是從DNA雙螺旋結構到分子生物學，第二次是從分子生物學到基因組學，兩次革命都是數學、物理、計算機科學與生命科學交叉融合的巨大成果。接下來的第三次生命科學革命即21世紀的新生物學，將實現從觀察性、定性到定量、可預測性的轉變，是生物學與定量科學和工程的交叉融合。
然而，在1994年菲爾茲獎得主埃菲·傑曼諾夫看來，生命科學在21世紀的發展，很可能會成為數學學科發展的動力源泉之一。“在十六、十七世紀，物理學的發展曾為推動數學做出過很大貢獻，在21世紀，很可能是生命科學。”
事實上，生命科學研究遇到的大量問題，正在推動包括人工智慧在內的各種工具的發展。復旦大學教授馬劍鵬提到，目前蛋白質動態維度研究正迎來最好的時機，蛋白質結構可以透過實驗或計算機預測來確定，但動力學性質只能透過計算機模擬來實現。而上海紐約大學教授張增輝認為，從計算角度來研究蛋白質相互作用，目前主要研究思路之一，就是基於大資料用機器學習的方法，但包括“阿爾法摺疊”這種利用機器學習來提高蛋白質-配體複合物結構預測準確性的方法，也仍有不少提升空間。
作者：許琦敏
攝影：邢千里
