当今世界科技处于重大变革前夜，对物质本质、宇宙本源、生命活动本质的探索是基础研究取得革命性突破的前兆。因此，科学研究范式亟需深刻变革。而科学范式转移的前提是，原有的范式已不能实现科学理论的实质性突破，甚至是理论之间多有冲突。

   2007年，图灵奖得主吉姆•格雷曾提出，信息爆炸迫使科学家必须将实验、理论和计算机计算统一起来，建立起一种新的科学研究范式，即“第四范式”。研究内容由局部走向系统，方法由单一学科走向学科交叉，范畴由多层分科走向探索共性。

   的确，任何洗心革面的突破，都需要以科学研究新范式为前提。生命科学的基础研究领域，我们习惯了在三维空间，即以物质静态的空间结构进行研究。若想揭示生命活动本质，笔者认为，应在原有三维的基础上，加入时间和能量信息维度，才能更好地揭示生命物质和非生命物质演变的四维空间运行规律，解析能量信息在其中的网络传递机制。

 

生命体的能量信息网络传递

 

   在自然界中，能量信息可能总是相伴而行，无处不在。能量作为生命活动的动力，不仅赋能构成生命体的各种结构，还可以维持体内生命物质的位移或变构等微观运动，同时伴随体内信息的网络传递。

   而信息则是客观事物之间相互联系和相互作用的表征，是创建一切宇宙万物的最基本单位。它不能独立存在，其主要的载体形式是能量波，以传输和转换实现信息传递。

   那么，能量信息在生命体内如何运转？这很可能也是以特殊生物微波的形式存在（能够被可视化），调节生命物质同化和异化，通过对立统一矛盾运动，完成生物大分子间的互作、代谢更新、复制变异和机体稳态。

   生命活动的本质是蛋白质及其他生物大分子的同化作用和异化作用的对立统一运动过程。在此过程中，生物大分子以自我更新、自我复制、自我调节的方式维系生命整体活动所表征的高智能、自组织、自稳态，新陈代谢、自我修复、自我繁衍。认知生命活动本质的重大基础研究就是对这一过程进行系统全面解析，揭示随时间变化而变化的生物大分子结构动态变化特征、瞬时属性，以及由此而决定的细胞结构和功能状态，探索在不同健康状况、不同基因结构、不同生活方式和所处不同生活环境下的人体生物大分子变构及细胞结构和功能状态的动态变化规律。

   宇宙的本质可能就是能量。能量不同的聚集态构成了宇宙的三大组成，即明物质、暗物质、暗能量，千差万别的明物质也是能量不同聚集态的表征。由此推论，作为生命体的典型代表——人体也是由明物质、暗物质、暗能量三部分构成，由无时不在的能量信息的网络化传递转换机制调节维系生命活动。

 

医学发展的现实窘境

 

   如果说上述能量信息假说为科学研究新范式提供了目标和思路，那么医学领域现实窘境则催生了科学研究新范式的转变。

   当前，人们对疾病的认知和治疗并没有本质突破，依然使用天然的和化学合成的物质对抗治疗疾病，对整体生命活动改善还非常有限，甚至某些疾病的治疗方法还出现了退步。

   基因治疗虽被寄予了厚望，但现代基因之父沃森却忠告，要想通过基因序列治疗癌症和其他疾病，可以说是没价值的。外科手术尽管越来越“微创”，但是仍未改变其以丢掉组织为代价来治疗疾病的传统疗法。此外，“互联网+人工智能”也没能真正实现医学与信息科学的融合，迈向相互促进的发展模式。

   马克思曾说过：“一门科学只有当它达到了能够成功地运用数学时，才算真正发展了。”现代科学是建立在受控实验所得到的公理上，具有公理性、可计算性和可验证性；而医学研究则是建立在结构学、功能学和生物实验观察之上的，这些实验所得的观察结果大多未能实现数理逻辑上的公理化。数学家在生物学中取得的成功远不及于在物理化学领域，在很大程度上没有形成计算医学的研究范式。借助DNA双螺旋依然只能观测基因结构的一些二维生命现象，还未能系统揭示其三维、四维的内在分子互作关系上的数理逻辑机制。

   可以说，现代医学对人的整体生命活动规律的认知仍停留在局部化或碎片化层面，依然不能清晰解释许多疾病的本质，更谈不上对生命本质的基础科学问题的揭示，还不知晓能量与信息在人体内部的互联互通，以及与人体外部环境的交换是何种生物物理模式。

   因此，亟待建立科学研究新范式，系统刻画人体数字生命运行系统。

 

三大基本科学问题待解答

 

   生命科学领域的基础研究不只是用先进的观测手段揭示亚细胞水平或分子水平的微细结构，更不是仅以先进技术所发现的静态结构就能表征生命的微观和宏观动态过程。亚细胞或分子水平的系统生命活动既依赖于一定的结构存在，也需要结构间的系统互作，更需要结构间互作所表征的功能的时空变化。

   基于此，生命科学领域亟需解答三大基本科学问题，即解析生命体微观结构、探索结构之间的关联关系、揭示结构及功能的时相性变化规律。

   细胞是生命体的核心单元，人体是由约37~40万亿个细胞构成的复杂系统，微流控细胞分离、单细胞DNA/RNA测序、细胞原位分析、质谱流式细胞分析等技术已逐渐建立并用于单细胞分析。

   单细胞检测技术会产生包括DNA序列、RNA序列、蛋白质组以及细胞空间位置等海量的数据，对这些数据进行分析，用生物信息学的方法从中筛选出有用的信息就可以建立细胞结构图谱数据库。

   而在许多情况下，转录水平不足以用来预测蛋白质表达水平以及解释基因型与表型的关系。因此，我们要以复杂系统科学的整体论作为方法论，探索在生物分子、细胞、组织、器官等多个层级结构之间相互作用中“涌现”出的新属性，系统探索它们之间的关联关系。

   当然，人体从受精卵形成时起到生命活动结束的全生命周期，所有组织结构及其功能无不发生时相性的演变。我们应该采用密集数据驱动的科学范式，挖掘隐藏于高维、高通量多维融合的生物医学大数据中的新洞见，将生物医学领域的知识模型转换为数学模型，以生物医学大数据作为输入参数，以人工智能算法对模型进行迭代、训练，输出能够再现逼近于真实的生命系统结构与功能的时相变化表征。

 

须多学科交叉解答科学问题

 

   要探明任何复杂事物的本质而不对它进行剖析和简化是不可能的，而要认识事物发展的全过程，观察事物的全貌又必须对各个细节和部分进行系统化、整体化整合。自然界没有无局部的整体，也没有无整体的局部。

   传统的西方医学主要以人体的生理、结构和疾病为研究对象，并在还原论的方法指导下，注重结构性的“实体”实验，以空间变化为主要观察目标，但它却无法做到同时获得空间和时间上的病症动态变化、生命功能的能量和信息变化等的系统认知。因此，从宏观到微观系统全面揭示人体能量信息复杂网络过程，研究疾病整体水平的系统发生机制，在整体水平创新预防和治疗方法，是现代生命科学研究的重要方法论。简言之，揭示生命本质，不能只见树木不见森林，也不能只见森林不见树木，而是要既见树木也见森林。

   但生命系统具有非线性多层次开放性特征，处于复杂多变的时空环境中。面对生命与健康的多组元、多尺度、跨时空、跨层次的相互作用的复杂网络化表征，只有建立学科交叉、知识融合、技术集成的科学技术体系，才有可能揭示人体能量信息网络化复杂巨系统。

 

刻画全息人体数字生命系统

 

   当前，以基因组学、蛋白组学、代谢组学等系统生物学为代表的生命科学技术进步使人们有可能从超微观的分子、微观的生物大分子、亚细胞、细胞、细胞间链接、组织、器官、系统和整体多层面解析结构，解析结构间的关联关系，系统性探究组织器官中细胞的精细结构及其功能的时相性变化，获取海量的生命活动数据。

   在海量数据的基础上，我们应建构数学模型，进而揭秘生命科学大数据背后的生命活动过程规律的数学表达，有效模拟、再现或复现生命活动过程，重构生命体四维结构和时相性变化规律及物质、能量与信息转化形式。

   最后，用人工智能刻画全息人体生命系统的数学模型，以定性定量定位描述生命活动的状态，健康水平、疾病程度及治疗效果和转归。

   以药物研发为例，疾病发生并非单一靶点变化所导致，单靶向药物连续应用6~10个月，大多发生耐药。基于系统生物学和中药方剂学的理论，应系统探寻引发某一疾病的多靶点分子机制，研发分子定向明确的具有多靶向系统性干预、调节功能的药物，应成为国际新药研发的主流，也是中药现代化的发展方向，是让我国中药经典名方走向国际的科学途径。

   相信不久的未来，生命科学领域产生革命性突破，一定源于医学科学与以大数据、物联网、人工智能和量子计算为代表的信息技术的深度融合。通过创新算法、提升算力、建立模型，以新的科学范式，解析人体能量信息网络传递机制。这样不仅有助于我们洞察人体变化、探究致病机制、精确疾病诊疗，还可以有效开展疾病预防、指导保健实践，助力健康中国建设。■

（作者系中国工程院院士、河北医科大学教授，记者张思玮整理）

《科学新闻》 (科学新闻2021年4月刊 观点)