凝视科技的双螺旋：从万物之理到众生之源

本文原载于《二十一世紀》（香港中文大學‧中國文化研究所），2022年10月號，经授权后转载。

2022年，对于熟悉科学史的朋友们是个值得纪念的年份。这一年是霍金（Stephen W. Hawking）先生诞辰八十周年纪念，是杨振宁先生的百岁寿辰庆典，还是现代遗传学之父孟德尔（Gregor Mendel）先生诞生两百周年纪念。

作为一个生命科学从业者，也作为有幸和杨振宁先生面谈过的晚辈，在这样一个时刻能够受邀写文，备感荣幸。然又唯恐拙笔难当，于是只好借助诸位先贤，与诸君共同回顾五百年来，从「万物之理」（theory of everything）到「众生之源」（intimate history）的生命科学发展。

自十四世纪文艺复兴以来，人们对生命科学和物理学的探索连绵不断，同步发展。1543年，当维萨里（Andreas Vesalius）发表《人体结构》（Humani Corporis），创立了近代人体解剖学，却因为挑战权威而准备南逃西班牙的时候，哥白尼（Nicolaus Copernicus）也在病榻上拿到刚刚出版的《天球运行论》（De revolutionibus orbium caelestium）样书，自然哲学始从神学中解放。

1578年，当李时珍「窥天地之奥而达造化之极」，历经二十七年心血完成了《本草纲目》五十二卷的同期，信奉「一切推理都必须从观察与实验而来」的伽利略（Galilei Galileo）已悄悄开始了他的时代，观测天文学和现代物理学由此起步。

1665年，当胡克（Robert Hooke）用显微镜看到细胞，并写出《显微图谱》（Micrographia）的时候，牛顿（Isaac Newton）也在不懈努力着。二十二年后，即1687年，《自然哲学的数学原理》问世，现代科学革命由此高潮迭起。

1753年，当林奈（Carl Linnaeus）在他的花园中发表《植物种志》（Species Plantarum）并开创「双名命名法」为生物分类之时，卡文迪许（Henry Cavendish）和拉瓦锡（Antoine Lavoisier）也分别在探求着物理和化学的奥秘，1766年〈论人工空气〉（“On Factitious Airs”）发表，1789年《化学基本论述》（Traité Élémentaire de Chimie）问世，构成世界的元素奥秘已然隐隐可见。

1859年，达尔文（Charles Darwin）《物种起源》（The Origins of Species）发表，神创论和物种不变论瞬间坍塌；1865年，孟德尔《植物杂交试验》（Versuche über Pflanzen-Hybriden）发表，遗传学第一、第二定律确立，现代遗传学由此奠基。就在生命科学双星闪耀之际，克劳修斯（Rudolf Clausius）于1865年提出热力学第二定律的「熵」（entropy）来表述科学系统中的失序现象，而麦克斯韦（James C. Maxwell）的《电磁通论》（A Treatise on Electricity and Magnetism）于1873年完稿。

进入二十世纪，人类对于万物之理不觉开始有初步掌握，并开始将相关研究成果与生命科学相结合。1905年，当爱因斯坦（Albert Einstein）提出狭义相对论的时候，我们开始知道质量和能量原来「同出异名」。1909年，约翰逊（Wilhelm Johannsen）提出「基因」（gene）一词，为生命的基本单位给出了绝佳的好名字。两年后，即1911年，摩尔根（Thomas H. Morgan）提出染色体遗传理论，从而补全了遗传学第三定律。1927年，第五届索尔维国际物理化学会议在比利时布鲁塞尔召开，这次会议可谓全世界最聪明的脑子凑在一起所开的「神仙会议」。一年后，弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素（penicillin），人类对抗细菌有了全新武器，人均预期寿命从此迎来大幅度提升。

1936年，时任麻省理工学院校长的康普顿（Arthur Compton）在哈佛大学医学院做了一场划时代的演讲「物理学能为生物学和医学做些甚么」（“What Physics Can Do for Biology and Medicine”），将物理学研究带入生物学领域。一年后，杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）发表《遗传学与物种起源》（Genetics and the Origin of Species），首次结合遗传学研究和生物进化论。又一年后，「分子生物学」（molecular biology）这一名词被洛克菲勒基金会（Rockefeller Foundation）首次提出，旨在开创以物理和化学解释生物学的全新研究。

1944年，量子力学奠基者之一薛定谔（Erwin Schrödinger）思考是否存在可计算的「遗传力」（heritability）进而发表《生命是甚么？——活细胞的物理观》（What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell）一书，使很多物理学家进入遗传学的研究领域，从而促进了遗传学的迅猛发展。同年，艾弗里（Oswald Avery）设计了简单而精妙的肺炎双球菌体外转化实验，将脱氧核糖核酸（DNA）而不是蛋白质牢牢锁定，证实前者为遗传物质，人类离破译生命密码愈来愈近。一年后，即1945年，奥本海默（J. Robert Oppenheimer）所主持的曼哈顿原子弹计划成功，人类开始学会利用核能，大科学工程范式由此建立。

1953年，在米勒（Stanley Miller）通过模拟原始大气的实验去论证生命起源的同时，沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）终于揭示了最重要的生命分子，即DNA的双螺旋结构，而其能够完成这一发现也必须要感谢背后的富兰克林（Rosalind Franklin）女士，正是她于1952年完成的51号照片（Photo 51）——堪称人类历史上最美的一张X光衍射照片，给了两人核心启发。五年后，即1958年，克里克发表〈分子生命学的中心法则〉（“Central Dogma of Molecular Biology”），从而确定了生命遗传信息的流向。同年，杨振宁先生和李政道一起提出了宇称不守恒定律，成为当代物理学的重要原理，人类开始明白微观粒子非但测不准，而且在弱相互作用下不对称。

二十世纪中叶以后，人类对生命科学和太空探索的兴趣与日俱增，两门学科均出现可观的崭新成果。1961年，克里克、布伦纳（Sydney Brenner）、巴尼特（Leslie Barnett）和瓦特—托宾（R. J. Watts-Tobin）确认遗传密码（genetic code）为三联密码子（codon），从而清楚了解基因到氨基酸之间的翻译关键。五年后，即1966年，尼尔伯格（Marshall W. Nirenberg）等人将全部有义密码子破译。1969年，普利高津（Ilya Prigogine）正式提出耗散结构理论，生命据此可以定义为一个脱离热力学平衡状态的开放系统。同年，阿波罗11号成功登月，人类为尝试成为多行星物种迈出坚实一步。 

1970年，吴瑞发明了DNA测序方法，并加入引物延伸（primer extension）技术，成为桑格测序法（Sanger sequencing）及核酸检测的重要先声；七年后，即1977年，桑格（Frederick Sanger）发明了双脱氧终止法测序技术（即桑格测序法），揭秘生命序列在技术上真正具备可行性。与此同期，霍金在1974年提出「霍金辐射」（Hawking radiation），人类开始知道「黑洞不黑」。两年后，即1976年，海盗1号首次成功登陆火星，人类的太空探索历程又前进了一大步。同年，基博尔（Tom Kibble）提出「宇宙弦」（cosmic string）这一物理概念，引发了一众物理学家的巨大兴趣，弦论现在依然是最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论，虽然至今仍因难以证实而有巨大争议。

1983年，穆利斯发明了聚合酶连锁反应（PCR）技术，也就是今天大家熟知的核酸检测的核心方法。1985年，人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）由美国能源部提出，因其三十亿碱基对（base pair）的工作量和高昂的成本预算而引发巨大争议，然而仅过一年，即1986年，珀金埃尔默（PerkinElmer, Inc.）基于桑格测序法发明了世界上第一台DNA自动测序仪ABI prism 310，使得上述计划实现可行性大幅提升。

1990年，人类基因组计划正式启动，与此同时哈勃空间望远镜由发现者号航天飞机成功发射到太空，译码生命奥秘和探索外层空间再一次同步。无独有偶，1994年，美国国家生物信息中心（NCBI）开始提供在线检索服务；同年全球定位系统（GPS）系统全面建成，意味着人类可以在海陆空进行全方位实时三维导航。得益于测序技术的快速发展，流感嗜血杆菌、酿酒酵母、大肠杆菌、秀丽隐杆线虫等基因组相继解密；基因组学和计算科学开始密切结合，生物信息学（bioinformatics）这一名词开始大量在论文中出现。

2000年，人类基因组计划草图完成。同年，俄美国际空间站第一批宇航员正式抵达；2003年，暗物质和暗能量被证实存在；2004年，火星探测车勇气号和机遇号证明了火星上曾有水。2005年，高通量测序（high-throughput sequencing）技术得以发明，人类基因组测序成本进而大幅度降低；2006年，山中伸弥发明体细胞重编程（somatic reprogramming）技术，实现了细胞衰亡的逆转。2008年，欧洲大型强子对撞机（LHC）计划启动，这为下一个十年的重大物理发现做好准备。

2012年7月，欧洲核子研究中心（CERN）宣布探测到希格斯玻色子（Higgs boson），至此人类补齐四大基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子）的最后一块拼图，验证了统合强力、弱力、电磁力的「标准模型」；2015年9月，位于美国的激光干涉引力波观测仪（LIGO）首次探测到引力波，验证了爱因斯坦百年前提出的猜想；2018年，人类基因组测序成本降至六百美元，比第一次完成测序时的成本已降低50万倍；2019年4月，事件视界望远镜（EHT）用一张照片揭开了黑洞的神秘面纱，人类首次对黑洞有了视觉上的直观认识，时空扭曲跃然纸上；2020年，全球最大的五百米口径球面射电望远镜通过检验，正式开放运行，已经发现超过六百颗脉冲星；2022年7月，韦伯太空望远镜（JWST）在拉格朗日点开始工作。

与此同时，人类已经可以对百万、千万级的单体细胞进行一一测序，对生命微观的结构与功能得以观察得更加透彻。2012年，神奇的「魔剪」CRISPR/Cas基因编辑技术问世，自此人类掌握了高效的生命语言修改工具。2020年，新冠病毒肺炎（COVID-19）疫情使得核酸检测加速普及，而信使核糖核酸（mRNA）疫苗得以火线上市；人工智能程序AlphaFold 2对大部分蛋白质的预测结构与真实结构只差一个原子的宽度，人工智能令人类科学服务得以迅速突破；同年，科学家开始运用弱测量（weak measurement）技术，尝试在不破坏量子系统状态的前提下，探测这些状态的误差进而改善量子计算机。2022年3月，科学家已经能够让人类细胞逆转为八细胞期的全能干细胞，而来自华大基因股份有限公司的时空组学（Stereo-seq）技术可以对亚细胞结构完成基因测序，对生命微观结构解析的分辨率进一步提升；8月，科学家第一次仅用干细胞就在体外实现了胚胎发育，不但长出大脑结构、甚至出现了能跳动的心脏……

愈是临近成稿之际，我总结起来愈发慌乱，无论哪一个学科近期的突破都实在太多，担心挂一漏万，恰如其分地描述了我此时的心境。从万物之理到众生之源，生命科学和物理学正如人类理解世界两翼，如双螺旋般交相辉映，在否定之否定的证伪中渐次上升，终于建构成今日之主观及客观世界。科海撷英，何其有幸；拾人牙慧，不敢贪功。篇幅所限，我也只能从人类群星中选择最闪耀的部分坐标来缅怀一众先贤。纵使本人才疏学浅，但仍可窥一众巨人之深邃思想而怀古论今，更可站在其肩膀上去预见未来。

过去的五百年，是数百万年人类史中最为璀璨的五百年，作为万物灵长的人类，在意识到地球不是「宇宙几何中心」的真相后，望其成为「宇宙精神中心」。爱因斯坦说，这个宇宙最不可理解之处，是它居然可以被理解。是啊，无法穿越时空的我们，竟然把「宇」拓展到920亿光年，又将「宙」向前追溯了138亿年。如今很多科技早已经与「魔法」无异，在对生命了解愈深的同时，我们也对太空探索得更远。人类唯一不可束缚的即思维。禁锢思想的教会束缚不了伽利略，吞噬生命的病魔奈何不了霍金，被誉为「对称之王」（Lord of Symmetry）的杨振宁先生突破了对称束缚而提出了宇称不守恒定律。研究生命科学的我们，也开始拒绝听天由命，在对抗遗传、肿瘤或衰老的问题上力求「我命由我不由天」。

自1945年布什（Vannevar Bush）完成给美国总统罗斯福（Franklin D. Roosevelt）的「作业」，即《科学︰无尽的前沿》（Science, the Endless Frontier: A Report to the President）报告的提出之后，全球最重大的科学研究开始从分散式的实验室规模组织迅速转向大科学工程规模组织，从假说导向迅速升级为数据导向；这一重要的范式转化，使得人类可以齐心协力在一个大目标集中战略力量，通过建设了一个又一个的超级工程产生海量数据，进而在核能、航天、物理理论和基因组学上迅速取得突破。曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划、人类基因组计划、大型强子对撞机计划，射电望远镜计划莫不如是。2016年，我因获悉引力波确认被LIGO检测到的官方消息而深深震撼，百多年前爱因斯坦凭借天才脑袋提出的引力波猜想终被证实，也让如我一样往往只相信眼见为实的庸才得以心悦诚服。对人类来讲，眼睛是个好东西，然而仅凭可见光和七十微米的分辨率去认知世界是悲哀的。下一个时代的人类，更应建立起「相信数学就是对的，相信物理学就是对的」这样笃定的科学精神。

生命的本质是化学，化学的本质是物理学，物理学的本质用数学语言可以描述。薛定谔在《生命是甚么》中写到，当时的物理和化学在解释一些事件时显得无能为力，但决不能成为怀疑这些事件可以用物理和化学来解释的理由。如今我也会自信地回应，虽然物理和化学可以从还原论（reductionism）上解释生命的每一点微观现象，但生命从整体的系统论上绝不等于在物理和化学的简单叠加，它因涌现而发生质变。一只鳞翅目昆虫化茧成蝶的前后，尽管遗传层次上DNA没有改变，然而在核糖核酸（RNA）表达或表观遗传的层次上，它早已经不是它，犹如一支交响乐队刚刚演奏完缠绵悱恻的《梁祝》，下一幕则迅速切换成磅礴雄浑的《黄河进行曲》。

生命唯一不例外的就是例外，宇宙中唯一确定的或是不确定。人类之所以为人，恰恰是人类可以接受不同尺度甚至完全相反的理论而并行不悖。与光速相比「龟速」的我，用牛顿运动定律来计算着自驾的时间，却明白其实不过是相对论的一个特例；与粒子相比「宏伟」的我，利用作为光学成果的镜子看着似乎对称的自己，却依然明白微观的不守恒；与大肠杆菌相比「长寿」的我，每日醒来都觉得仿佛如昨，却依然明白基因的随机突变时而发生，而我也终将迎来可见的衰老。我和很多科研工作者一样，在天人交战中思考着概率、混沌和涌现，在无可奈何中追求着确定、真理和美好。

已知圈愈大，未知圈愈大。如杨振宁先生所言，「如果你所谓的上帝是一个人形状的，那我想是没有的。如果你问有没有一个造物者，那我想是有的」。此般境界，恰如庄周《逍遥游》中所写「乘天地之正，而御六气之辩」，在观星辰之远隧之时，深刻理解了人之局限；在悟道自然的同时，亦铭记人性之本。没有科技的人文或许是愚昧的，但没有人文的科技则一定是危险的。科技无论发展到何种程度，都不要忘记我们因何而出发，正如「黑夜给了我们黑色的眼睛」，我们却要用它去探求光明。