Alpha fold: 人工智能在蛋白质结构预测上跑赢人类的启示

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来自孙卫涛科学网博客

2020年12月，Alpha Fold2在CASP14上获得了惊人的进步，其蛋白质结构预测的能力已经达到了与实验方法相媲美的程度，国内外该领域的专家学者都为之惊叹，同时也都感受到巨大的压力，人工智能首次把一个公认的具有重大意义的科学难题突进到几乎破解的地步，这是对人类科学家的一次强力震撼。Alpha家族的人工智能的下一步目标又会是什么呢？

据Alpha Fold2研究团队的介绍，具有以下特征的复杂问题可能会被人工智能方法一一破解：

1. 具有巨大的组合空间搜索能力才能解决的问题;

2. 具有需要优化的明确目标函数;

3. 具有大量数据或者具有一个准确有效的模拟方法.

许多人类最关心的科学和技术问题都满足上述特征。比如，在地球物理学领域和石油探勘领域，多年来未解决的反演问题就是一种具有海量自由度的高维空间搜索优化问题。

在同源蛋白序列结构数据很少的情况下，人工智能方法仍然无法提高对结构的预测成功率，大体与人类预测能力在同一起跑线。而基于ab initio的方法是人类胜出的希望，通过对物理、力学原理的理解和建模，人类有可能在同源蛋白结构信息稀缺的情况下获得更优的预测结果，同时获得对折叠过程的机理理解。

从应用数学和力学角度破解蛋白质结构折叠机理问题是一条不平凡的道路。在这个方向上，国内外许多学者都倾注了巨大心血。2002年，著名应用数学家林家翘先生（https://baike.baidu.com/item/%E6%9E%97%E5%AE%B6%E7%BF%98 https://en.wikipedia.org/wiki/Chia-Chiao_Lin）回到母校清华大学，为了推进清华大学应用数学研究，林先生在清华主持创立了“周培源应用数学研究中心”，倡导蛋白质结构折叠问题的理论研究。虽然林先生已是耄耋之年，他仍然不知疲倦地工作，为年轻研究人员树立了榜样。在他的带动下，一批朝气蓬勃的科学工作者发奋图强，朝着林先生开辟的崭新研究方向不断努力前进。

2003年，林先生在《力学进展》发表题目为“应用数学的拓展——用一篇关于蛋白质分子的结构和功能的动理论发展的论文来说明”的文章，阐述了蛋白质结构折叠的数理基础。林先生认为：蛋白质具有不同尺度的结构，能量在不同尺度之间传递分布的规律与湍流涡旋的“能量级串”(energy cascade)有异曲同工之妙，更为重要的是，蛋白质折叠和湍流现象都是随机过程。自然界不同现象背后往往受相同规律支配，发现这个统一的规律，这是科学家梦寐以求的目标。

虽然对蛋白质结构折叠机理的研究仍然任重道远，困难重重，但是人类科学家依然孜孜以求，不断探索。

从Alpha-Go破解围棋的事实可以发现，机器智慧与人类智慧对世界的认识存在差异。在围棋问题上，Alpha-Go Zero脱离人类棋谱创造出了属于机器智慧的下棋策略，其中有许多地方与人类数千年总结的经验吻合，但是有许多地方又是人类无法理解的。人类对Alpha-Go创造的棋谱感到匪夷所思，但是却又忘尘莫及，甚至开始尝试学习和理解机器智慧创造的棋路。

在蛋白质结构预测问题上，相信会重复发生相同的事情。人类对蛋白质结构的理解是基于长期研究的结果，但是机器智慧从另一条蹊径出发，却走在了人类前面。未来会不会出现人类通过机器智慧学习和发现更多从未认识到的新知识的现象？这是很可能的。

但是，作为灵长类智慧生物，人类创造了无法被取代的文明。从人类感情和心理学角度看，人类之间的许多现象超出了目前人工智能的计算能力，机器智慧短期内仍然无法理解和预测人类社会问题。

参考链接：

1.John Jumper, Richard Evans,et al. High Accuracy Protein Structure Prediction Using Deep Learning. Abstract Book, CRITICAL ASSESSMENT OF TECHNIQUES FOR PROTEIN STRUCTURE PREDICTION. 2020. （https://predictioncenter.org/casp14/doc/ ； https://predictioncenter.org/casp14/doc/CASP14_Abstracts.pdf ）

2.林家翘. 应用数学的拓展——用一篇关于蛋白质分子的结构和功能的动理论发展的论文来说明. 力学进展. 2003年02期第161-165页. (https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=e3347f4e3a8e8a1d43530d3b85179bb1&site=xueshu_se)

3.孙卫涛，刘俊丽. 应用数学大师——林家翘传.江苏人民出版. 2013年12月. (https://www.researchgate.net/publication/346657247_A_master_of_Applied_Mathematics_--_Biography_of_Chia-Chiao_Lin_yingyongshuxuedashi--linjiaqiaochuan http://www.jspph.com/Html/Book/1469/ )

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