用研究新范式破解生命科学难题

来源:中国科学报 

作者:丛斌(中国工程院士)

采访整理:张思玮(本报记者)

当今,世界科技正处于重大变革前夕。各领域科学家们一直积极地探索物质本质、宇宙本源、生命本质,并迫切企盼出现革命性突破。

但任何洗心革面的突破,都需要以科学研究新范式为前提。在生命科学领域,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网络传递维度,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?笔者认为,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。

须多学科交叉解答科学问题

生命科学领域的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,笔者认为,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。

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,不能是只见树木不见森林,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。

刻画人体全息数字生命系统

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,用人工智能刻画人体全息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。

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。

未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)云脑研究计划,构建互联网(城市)云脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/484837.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

synchronized与volatile

synchronized实现过程: 1.Java代码:synchronized 2.字节码层级:monitorenter,monitorexit 3.执行过程中自动升级(偏向->自旋->重量级锁) 4.cpu汇编层级:lock comxchg 上图为双核cpu的内部构造&am…

AI 技术与人类主体想象 ——基于人工直觉在线讨论的研究

来源: 人工智能哲学探索作者:雅克布约翰森(英国圣玛丽大学) 王鑫(辽宁大学)一、引言:AI、神经形态硬件、人工直觉AI 在媒体上的讨论越来越多,很多广为流行的专业网站上的相关探讨涵盖了 AI 发展的最新趋势和…

Java四种引用

强引用:没有使用时调用System.gc()会回收 eg:M m new M(); mnull;System.gc(); 软引用:内存不够时就回收 作用:一般使用在缓存时,比如把一些图片存储,内存不够时就自动回收 弱引用: 垃圾回…

永动机与热力学定律

来源:力学酒吧 撰文:张伟伟热力学三大定律分别为能量守恒、熵增定律和绝对零度无法到达,人们对热力学定律的认识也是纠正永动机思想的过程,是人类“美好思想”不断“碰壁”的过程,这些“碰壁”对于个人成长有着深刻的启…

浅析ThreadLocal

线程本地变量 每个线程独立拥有,线程存在,ThreadLocal就一直存在。 使用场景:spring 事务 里面有m方法,m调用了m1,m2,比如m1,m2都去访问数据库 如果分别建立两个数据库连接,事务…

工业机器人技术全解析,值得收藏!

来源:先进制造业一、工业机器人的发展背景1920年,捷克剧作家卡里洛奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossums Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词,之后便成为机器人的代名词。1938年3月&#xf…

JQuery 数组按指定长度分组

JQuery方法// 将data每3个一组进行分组var data [法国,澳大利亚,智利,新西兰,西班牙,加拿大,阿根廷,美国,0,国产,波多黎各,英国,比利时,德国,意大利,意大利,]; var result []; for(var i0,lendata.length;i<len;i3){result.push(data.slice(i,i3)); }lodash方法var data …

中科创星米磊:从五个方向筛选“硬科技”企业

来源&#xff1a;经济日报-中国经济网记者/梁 睿米磊建议创投和保荐机构从五个方面入手筛选“硬科技”企业&#xff1a;“围绕落实国家战略规划确定的科技发展方向或承担具体攻关任务的企业&#xff1b;拥有关键核心技术和先进技术的企业&#xff1b;科技创新和转化应用能力突出…

多线程下实现自增的几种方式

前情回顾&#xff1a;i操作并不是原子操作&#xff0c;因此多线程下会达不到预期的效果&#xff0c;需要通过加锁或AtomicInteger或LongAdder等方法来实现。 i可以分为三步 我们通过实验来观察实现i操作的方式。 下面实验中通过继承Thread实现了多线程 错误方法&#xff1a;…

Fast R-CNN(理解)

0 - 背景 经典的R-CNN存在以下几个问题&#xff1a; 训练分多步骤&#xff08;先在分类数据集上预训练&#xff0c;再进行fine-tune训练&#xff0c;然后再针对每个类别都训练一个线性SVM分类器&#xff0c;最后再用regressors对bounding box进行回归&#xff0c;并且bounding …

全球最顶级的十大创新公司

来源&#xff1a;中企思智库2021年2月英国著名的全球信息服务提供商科睿唯安发布了“2021年度全球百强创新机构”榜单&#xff0c;榜单通过衡量全球各大企业机构专利实力以及创新文化进行综合评选&#xff0c;具体排名如下&#xff1a;3M——是世界第一大创新企业&#xff0c;A…

读《redis设计与实现》笔记--redis数据结构

redis五大数据结构&#xff1a;string&#xff0c;hash&#xff0c;list&#xff0c;set&#xff0c;zset(有序集合) redis底层数据结构&#xff1a;简单动态字符串(SDS)&#xff0c;链表&#xff0c;字典&#xff0c;跳表&#xff0c;整数集合&#xff0c;压缩列表 底层数据…

Zookeeper实现Master选举(哨兵机制)

master选举使用场景及结构 现在很多时候我们的服务需要7*24小时工作&#xff0c;假如一台机器挂了&#xff0c;我们希望能有其它机器顶替它继续工作。此类问题现在多采用master-salve模式&#xff0c;也就是常说的主从模式&#xff0c;正常情况下主机提供服务&#xff0c;备机负…

一种用户-系统协同的概念模型

来源&#xff1a;人机与认知实验室翻译&#xff1a;何瑞麟&#xff0c;胡少波&#xff0c;关天海 一种用户-系统协同[的概念模型&#xff1a;增强复合型信息系统的易用性摘要世界各地的许多组织都使用复杂的信息系统&#xff08;例如&#xff0c;企业资源计划和供应链管理系统…

为Openstack制作CentOS7镜像

1&#xff09;CentOS7官方iso改名为centos7.iso并上传至控制节点的/home/image目录&#xff1b; [rootcontroller home]# mkdir image [rootcontroller home]# cd image/ [rootcontroller image]# ll 总用量 4365312 -rw-r--r-- 1 root root 4470079488 11月 3 13:38 centos7.…

下一代汽车的核心竞争力到底是什么?

来源&#xff1a;深城物联全球芯片短缺的情势下&#xff0c;汽车芯片的关注度持续走高。除了硬件外&#xff0c;最近&#xff0c;业内对于车辆软件系统的讨论也越来越热烈。华为近日发布了首款智能电动车极狐阿尔法S&#xff0c;HI版本上首次搭载了自研鸿蒙OS智能互联系统&…

NIO的多线程优化

单线程会浪费多核的优势 单线程如果在某一业务上花费时间过长&#xff0c;会影响其他业务的处理 boss负责连接&#xff0c;worker负责读写 服务端代码&#xff1a; package com.netty.demo;import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio…

国产CPU深度研究报告(干货,110页)

来源&#xff1a;特大牛 来自特大号&#xff08;ITXXXL&#xff09;来自特大号&#xff08;ITXXXL&#xff09;来自特大号&#xff08;ITXXXL&#xff09;来自特大号&#xff08;ITXXXL&#xff09;来自特大号&#xff08;ITXXXL&#xff09;未来智能实验室的主要工作包括&…

logging模块(* * * * *)

一 (简单应用)、 import logging logging.debug(debug message) logging.info(info message) logging.warning(warning message) logging.error(error message) logging.critical(critical message) 输出&#xff1a; WARNING:root:warning messageERROR:root:erro…

业界首个!华为联合中国信通院等发布《网络体系强基展望白皮书》

来源&#xff1a; 华为数据通信编辑&#xff1a; 杨盼近日&#xff0c;华为联合中国信息通信研究院等单位&#xff0c;共同发布《网络体系强基展望白皮书》(以下简称《白皮书》)。《网络体系强基展望白皮书》从工业网络现状、趋势和需求出发&#xff0c;首次提出了“工业设备网…