标题：生命科学的第三次革命：中国，准备好了吗？
生命科学的第三次革命
——麻省理工学院校长苏珊•霍克菲尔德的演讲
演讲者小传
苏珊•霍克菲尔德（SusanHockfield）自2004年12月起任麻省理工学院第16任校长以来，一直大力倡导和推动科学技术以及研究型大学在世界事务中发挥重要作用。
霍克菲尔德1985年在耶鲁大学教授神经生物学，1994年被评为正教授。她在耶鲁大学度过了19个春秋的学术生涯，曾经先后担任其研究生院院长、学校教务长、学术和行政主任等，在大学里发挥了核心领导作用。
霍克菲尔德致力于大脑发育和神经胶质瘤（一种致命脑癌）的研究，在脑科学研究中开创了单克隆抗体技术的应用，并发现了一种在早期调节大脑神经元结构的蛋白质。最近她发现了在大脑肿瘤扩散中起关键作用的一种基因及其产生的蛋白质家族，有可能成为脑胶质瘤靶向治疗的治疗靶点。
她在1973年获得美国罗切斯特大学(University of Rochester)的生物学学士。1979年获得美国乔治城大学(Georgetown University)医学院的神经学博士。1979至1980年为美国NIH的博士后研究员，1980年加盟美国纽约冷泉港实验室，1985至1997年任该实验室夏季神经生物学研究项目主任。
霍克菲尔德博士被布朗大学、清华大学以及沃森生物科学学院分别授予荣誉学位，并当选为美国艺术与科学院成员。
下一场创新革命来自生命科学、物理科学和工程科学领域内正在发生的历史性的大融合
我很高兴能在此与大家相聚一堂，确实有一些值得我们庆贺的事情在发生。美国总统奥巴马最近在美国科学院的讲话中对范围广泛的科学与工程学的价值坚定地给予了认可，我们不能将其视为一席空谈而一笑置之。让我们摘引奥巴马总统讲话中的一段以共勉之：
在金融危机的困难时刻，有人认为我们没有力量再投资于科学，在这个钱要用在刀口上的时期，支持科学研究在一定程度上是一种奢侈的花费。但我本人完全不同意这种看法。科学对于我们的繁荣、安全、健康、环境以及生活质量的意义，比以往任何时候都更为重要。
在我们与奥巴马的新一届政府合作伊始的时刻，没有比这更好的开端了。我们将充分利用良好的投资环境，以及科技发展的不同寻常的新的机会。我相信，我们必能不辜负奥巴马总统对科技发展前景的乐观期待和雄心大志。今天我只想集中于一点，也是奥巴马总统在讲话中所关注的：生命科学、物理科学和工程科学领域内正在发生的历史性的大融合。
在全国各地的学术实验室和各大公司里，这种加速融合正在日益形成本世纪新兴科技的雏形。我相信，这一融合趋势拥有无限潜力，并将以多种途径对科技发展产生重要影响：通过对让我们最为心驰神往的宇宙奥秘的进一步了解，通过医疗保健事业领域内以及其他重大的科技领域内挑战性课题所取得的进展（如清洁能源）等，将对一系列工业产业产生巨大的促进作用，从而有助于刺激美国的创新经济。
为了充分利用科技发展的这一潜力，我们必须认识到它的发展前景，调整我们的教育与研究战略，与华盛顿的一些决策者之间达成更多的理解并获得支持。今天我想就此机会讨论一下这些有关的问题，但首先我想要探讨的是，这种融合趋势是如何发生的？为什么说它将显著地重塑21世纪的科技发展景观？
DNA结构的阐明与现代生物学的崛起
正如我们大家都知道的那样，20世纪中叶的一个重大发现为现代生物学开辟了一条极富有成效的新路子。沃森和克里克1953年对DNA结构的阐明，引发了一个具有巨大潜力的新的实验方向，在生命科学领域内，科学家对构成生命的基本构成“模块”，或者说是构成生命的“零部件”有了更多的了解。
DNA结构的发现为其后生物科学两大革命奠定了基础：首先是分子生物学的发展，揭示了DNA的遗传编码信息是如何转录成RNA密码，并在蛋白质内行使各种生物学功能的。而分子生物学的发展则为生物学的第二次革命奠定了基础，通过基因组学研究取得的成就，人类迎来了生物学领域内的信息大爆炸时代。
令不同领域内的科学家感到兴奋的是，生物学领域内的新发展不仅拓宽了人们的知识视野，而且还通过一套共有的构成生命的“基本模块”，在生物科学的许多分支领域内产生了一系列实际应用成果，比如医学上取得的一些显著成果，从针对性的癌症靶向疗法，到降胆固醇药物司他汀（Statins）的开发等。更重要的是，生物技术产业除挽救了更多人的生命之外，还为美国经济成长做出了巨大的贡献。仅在医疗卫生的生物技术部门，上市公司的税收从1992年的80亿美元增加到了2006年的近600亿美元。
生命科学与工程学联系日益密切
在以上两次生命科学革命中，人类所获得的生物学知识突飞猛进，并从而产生了一种意想不到的新的合作关系。
分子生物学这门新学科诞生之初，在二次大战之中以及二次大战结束之后发展起来的工程学和物理科学，在生命科学领域内也有了越来越多的用武之地。生物学家需要有新的实验工具和实验方法来确定DNA、RNA和蛋白质的结构和功能，物理学家们就来帮助他们解决这些问题，物理学家研发的技术迅速在生物学研究领域内得到了应用。研究人员采用了新的分析工具，从离心分离到色谱法等，使得生命科学领域内的科学家能够更好地理解在单个基因或单个蛋白质水平上的分子和细胞的生理过程，而生物学家的新发现则更进一步促进了新的治疗方法、新的药物和新的临床诊断方法的问世。
在同一时期内，电子显微镜和一系列强大的成像技术以越来越高的分辨率在分子水平上揭示着人体器官系统的奥秘。医生们通过CT（X线电子计算机断层扫描）、MRI（核磁共振成像）以及PET（正电子发射计算机断层显像仪）等先进医疗诊断器械，作出更好的诊断意见和治疗方案。采用和开发物理科学和工程学技术成果的模式，令生物医学取得了惊人的进展，并产生了极为深远的影响。
随着基因组学革命带来如雪崩般的信息数据流，以物理科学为基础的工程学也作出了新的贡献。庞大数据的归档处理是物理科学和工程学所面对的一个共同问题。工程师和物理学家为自己的工作开发的一些工具，如今在生物学实验室也有了新的应用。而人类基因组计划的实施不但需要新的强大的基因测试技术，同时也需要得到数学科学领域内科学家的合作。
生命科学前两次革命引发第三次革命
近年来生命科学领域内的两次革命：分子生物学和基因组学，已引发了第三次革命。一开始，生命科学家与工程师和物理科学工作者之间的联系，主要是借鉴一些实验工具而已，其接触并不十分密切，而且通常被认为，工程师们只是为生物学家服务而已。
科技发展到今天，随着各学科之间的融合越来越密切，学科之间一开始曾经的主从关系已演变成一种平等的合作关系，各学科都从这种结合中获益匪浅。总而言之，生命科学领域内第三次革命的种子已经播了下去，在美国各地一些领先实验室里已经开始结出硕果。例如，麻省理工学院的教师和学生在生物医学科学等许多领域内，正在进行的一些研究项目，正是这种合作的体现，以下试举麻省理工学院的几个例子，以说明生命科学第三次革命的前景。
1、癌症研究
在麻省理工学院，我们利用这第三次革命的巨大潜力来发动一场新的抗癌之战，在1974年建立的癌症中心的基础上，设立了一个新的研究机构，盖起了一幢新的研究大楼，即麻省理工学院科赫癌症研究所。
纵观癌症研究前沿阵线，你会发现有越来越多的生物学家、工程师、计算机专家和化学家都加入到了抗癌阵营中。他们带来了各个学科的观点，促进产生了癌症诊断、治疗和预防的新的策略。麻省理工学院科克研究所里拥有十多位癌症研究科学家、十多位工程师以及他们的研究小组，为科克研究所的研究人员以及麻省校园里的其他在生命科学和工程学的交融中进行研究的人员提供核心研究设施及其他研究条件。
在攻克癌症的领域内我们可望取得什么样的进展呢？一个例子就是，长期以来我们普遍以化疗方法来对付肿瘤细胞，麻省理工学院和其他地方的一些实验室，正在利用纳米粒子将抗癌药物直接输送到恶性肿瘤细胞所在的部位，针对癌细胞递送高剂量的化疗物质，而对正常细胞的损伤则可降到最低限度。一些实验室利用纳米粒子“智能炸弹”攻克癌症，已取得了令人鼓舞的成效。生物学家和工程师们预计，在未来十年之内，纳米智能炸弹可临床应用于癌症治疗。
2、能源
生命科学第三次革命的意义及产生的影响并不仅限于医学领域。事实上，几大学科的大融合之所以令人兴奋还在于，这种结合不仅仅体现在工程学的成果“流向”生物学领域，而是双向的交流，能源领域内的新突破就是一个很好的例子。例如，美国麻省理工学院的研究人员已经研制出了一种新型电池(如下图），将经过基因工程修改的良性病毒与其他电池材料结合在一起，可自动形成锂离子电池的正负二极，与用于混合动力汽车上的最先进的可再充电电池具有相同的能量和动力性能。这种新颖的生物电池可在室温条件下生产，并且不会产生有毒的副产品。几年前已经取得了首次突破，成功地合成了电池正极，据《科学》杂志报道，研究小组最近已研制成功了由病毒构建的电池阴极。
该项目研究小组成员包括：两位材料科学家、两位擅长于利用生物过程发明高性能电池的化学工程师。这种电池生产方式成本既低廉，又于环境无害。该研究小组目前的重点是扩大成果，提高电池的电压和电容，在达到相关标准之后，该项技术就可投入大批量的商业化生产。
3、环境科学
第三个例子来自环境科学。麻省理工学院的土木工程师和环境工程师利用基因组学技术诠释海洋微生物生态系统，监测它们是如何应对气候变化的。我们知道，海洋微生物在大自然中的水、碳和能量循环中发挥着巨大的作用，但我们对它们是如何做到这一点的了解却少得惊人。麻省理工学院的研究人员利用人类基因组测序工具，发明了一种新的分析复杂微生物群体基因表达的方法，利用这种方法，研究人员能够了解到对细菌活动产生影响的究竟是哪些基因。这一新的研究方法为人类了解气候变化的影响，以及应对气候变化提供了新的重要数据，在气候观察活动中，利用当地的微生物群也成为一个可以考虑的因素。
加速革命步伐的建议
从这些鼓舞人心的例子来看，科学技术将取得重大进展几乎是势所必然的。然而考虑到人类面临的太多问题，从流行性疾病，到摇摇欲坠的世界经济形势，到无法满足需要的全球能源系统，仅仅是“势所必然”还是不够的。我们需要某些快速的进展，这就要求我们立即行动起来。因此最后我想提出旨在加速生命科学第三次革命步伐的一些具体措施：
首先，我们必须鼓励年轻人从事多学科融合的工作。
从麻省理工学院的经验看起来，我觉得这并不太难。每年8月下旬，我在校园里散步与新来的新生聊天问及他们未来的研究方向时，许多学生都看好一些在学科融合中产生的新的学科领域。无论他们的兴趣在于机械工程或生物学或计算机科学，他们都倾向于一些跨学科的领域，我相信这些学生将成为引领这场革命的排头兵。但是在激发起年轻人热情的同时，我们还必须为他们提供必要的教育条件，培养他们成为跨学科的“双语”人才。我们应当提供一种广泛的教育，培养既是生物学家又是工程师，既是计算机专家又是数学家的一专多能人才，以便他们未来在各个学科的交流中拥有更好的合作能力。
第二，我们必须培育新的学术组织。
有不少大学已经发起了生物医学工程活动，强调将工程学应用于医药领域。麻省理工学院的一些做法也值得借鉴。正如从化学中产生了化学工程学，细胞学和分子生物学也催生了生物工程学的一些新的分支学科。MIT的生物工程系已经设立了一个新学科的知识框架，包括本科生和研究生课程。它所做到的不仅仅是让生物学家和工程师有更多的接触，而是确实产生了一些明显的成效，让学生都能以更流利的专业语言来进行工程学、生命科学以及新诞生的生物工程学方面的交流。有了对生物学的深刻理解，生物学工程师就能成为最出色的工程师：分析复杂的系统，描述数学预测模型，推导基本的设计原则，然后设计全新的解决方案。我们需要在全国各地宣传这样的模式。
第三，调整我们的筹资机制向跨学科研究倾斜。
在这一点上可采取多种策略。例如，如果资助对象是年轻的研究人员，他们往往会成为跨学科领域内活跃的“游牧者”，年轻人常会将某个跨学科的观点带进他们的工作中去。当我与麻省理工学院的年轻教师交谈时，常常为他们的研究涉及不止一个专业而感到惊讶。然而，由于年轻人的资历和成就都不够，他们的研究一旦超出常规，将面临资金方面的困境，特别是在研究经费很少的时候。1990年，首次获得NIH（美国国立卫生研究院）研究基金资助的平均年龄为39岁，2007年时已上升到43岁。也许最令人不安的是，首次提交申请的成功率从1999年的29%已下降到了2007年的12%。NIH已有专门规划来解决科研人群老龄化的问题，我们必须给予年轻的研究人员更多开放式的活动空间，我们不能在培养出跨学科的研究人才之后，却让他们面临缺少研究基金的困境。
我们还应该重新设计目前的研究基金分发流程，使得受益的研究项目包括不同系、不同学校和不同研究机构的研究人员，并需要简化申请手续，实施同行审查制度的审查委员会要有多学科成员的参与，同时我们还需要拨出款项，以确保用于支持一些大胆的、跨领域的创新想法。
生命科学第三次革命将如何改变人类未来
我想用一个简单的方式来总结一下第三次革命的潜力。20世纪初，物理科学和工程学结合起来，推动产生了许多前所未有的行业：电子工业、计算机行业以及信息产业等，极大地改变了我们的生活。生命科学、工程学和物理学的融合也将产生我们今天还不知其名的许多新产业，但这些新的行业无疑将会对人类未来的生活产生重大的影响。
新兴学科的兴起将给我们带来令人眼花缭乱的诸多新机会。第二次世界大战期间，美国政府、产业行业以及科研学术机构的三方合作模式产生了数量巨大的科技成果。战争结束后，这种三方合作形式成为基于创新精神的新经济发展的火车头。经济学家普遍认为，在战后的几十年时间里，美国经济的增长一半以上得益于科学技术的发展。因为美国没有在本土上作战，其他许多国家在重建城市、公路和政府时，我们将所有的力量致力于教育和研究事业，走上了历时半个世纪的创新之路。
20世纪的新技术开发和取得的全球性进展，比人类历史上任何时期都更迅速地使地球上许多人摆脱了贫困，而我们并不是唯一的科技创新的受益者，世界各国都建立起了自己的创新经济的基础。我喜欢竞争，它将使每个人都过得更好，但要竞争就要有所行动。投资于基础研究的投资是对这种竞争的投资，而不是成本代价。许多分析表明，投资可观的回报率正是源自于基础研究。现在正需要一些懂科学，懂工程技术，以及认识到生命科学第三次革命挑战重大意义的人，向决策者和公众宣传如今还无法想象的明天之图景。
实际上，有了这种多学科的融合，生命科学和物理科学都早已超越了以往的“什么、为什么和如何？”等提问模式，有了工程学的加盟，未来更有效更实际的问题应该是“为什么不能？”如何解答这些新产生的问题事实上就构成了第三次革命。今天，感谢奥巴马总统，科学技术又回到了它应有的位置上。为了人类健康，为了国家繁荣，以及为了地球的生存，我们将勇敢面临挑战，去迎接生命科学第三次革命的到来。
（译自演讲者于2009年4月30日美国艺术与科学院科技政策论坛上所作的报告）
编译 方陵生
来源：http://whb.news365.com.cn/kjwz/200906/t20090615_2356715.htm
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第三次生命科学革命：中国，准备好了吗？
——评MIT校长的演讲
施一公 饶 毅
57岁的苏珊•郝克菲德（Susan Hockfield）于2004年就任麻省理工学院（MIT）的第16任校长。她在1973年获得美国罗切斯特大学(University of Rochester)的生物学学士，1979年获得美国乔治城大学(Georgetown University)医学院的神经学博士。她在耶鲁大学度过了19个春秋的学术生涯，曾经先后担任其研究生院院长及学校教务长。值得一提的是，郝克菲德是MIT历史上第一位来自生命科学领域的校长，这也反映了MIT过去半个世纪学科演变的趋势¬——其生命科学从50年前的完全空白到今天的在全美乃至全世界举足轻重。
2009年5月13日，郝克菲德在美国科学进步协会以“下一轮创新革命”.为题做了演讲，简短但深刻地阐述了刚刚拉开帷幕的第三次生命科学的革命，即工程和物质科学与生命科学强有力地交叉、融合而带来的革命。
分子生物学的创立和发展被认为是生命科学的第一次革命，主要发生在20世纪70年代和80年代；它又直接催生了第二次革命，即基因组学的创立和发展。奠定这两次生命科学革命的基础是被认为二十世纪最伟大的生命科学研究的两项成果，一是1953年沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick)根据弗兰克林(Rosalind Franklin)和维尔金斯(Maurice Wilkins)的DNA衍射图谱推断出DNA双螺旋的正确结构，二是50年代末60年代初佩鲁茨（Max Perutz）和肯德鲁（John Kendrew）对血红蛋白和肌红蛋白三维空间分子结构的解析。DNA双螺旋的发现标志着现代生物学的开始，而血红蛋白分子结构的解析则标志着分子生物学的开端，因此佩鲁茨被Nature等杂志尊称为“分子生物学之父”。
这两次生命科学的革命，均来源于生命科学与其他学科的交叉。物理学家进入生物领域对分子生物学的创立和发展至关重要。他们不仅带来了强大的计算工具和理论，而且发展、改进了各种分析仪器，比如电镜、高速离心机等等，使得在分子水平理解DNA、RNA、蛋白质成为可能；而没有数学家、计算机科学家的积极参与，基因组学难以创立。
如果说在过去两次革命中工程与物质科学主要是为生命科学提供技术支持与服务，那么今天，在世界许多地方，工程、物质科学与生命科学正在多方面融合、相辅相成，这就是已经拉开序幕的第三次生命科学的革命！郝克菲德用三个例子来描述这场革命：科学家们正在试图利用纳米技术把抗癌药物直接递送到目标肿瘤细胞；可以被称为科学家也可以是工程师的人们在用无害病毒制造无污染的电池；环境学家与生物学家联手试图通过研究海洋中的微生物群落来监控环境和气候变化。
当工程技术、物质科学与生命科学日趋紧密结合的时候，想象空间是巨大的，没有人可以预测第三次生命科学的革命会对我们每个人带来什么样的影响，也没有人可以预测这场革命对于社会、经济将带来什么样的变革！但是，生命科学的前两次革命带来的影响可以作为一个参考：它们不仅直接加深了我们对于生命现象的理解，而且给社会生活，特别是西方发达国家的各个方面带来福祉，既有针对个体的抗癌疗法，也有适用于很多人的降血脂药物；生物技术的繁荣使其成为美国经济中的重要组成部分，比如，与健康产业相关的生物技术公司每年为美国带来的利润从1992年的80亿美元上升到2006年的600亿美元！
很遗憾的是，我国由于特殊的历史原因，与这两次革命失之交臂。尽管在改革开放之后，国家对于科学技术的重视逐年增加，但时至今日，我国的生命科学研究基本处于跟随国外潮流的阶段，缺乏创新性、革命性；与西方发达国家相比，我国的生物产业尚未真正起步，而没有科技含量的生物保健品的肆虐又让国人基本没有认识真正的生物制药的意义；我国的许多生物技术公司从事的是国外大公司的外包服务。
那么在互联网使整个地球变小的今天，面对着第三次生命科学革命的到来，中国如何应对是一个重要的问题。
郝克菲德提出了四点倡议，应该对于我国科技、教育界及其它相关政府部门具有很好的参考意义：
首先，鼓励年轻人进入交叉学科。在本科教育中鼓励学生接受包括生物学、计算机科学、数学、和工程在内的宽口径、多学科教育，使他们可以理解彼此的语言，增加今后广泛交流合作的机会。也许我国高等教育的课程改革已经迫在眉睫，打破一刀切的课程设置和教育模式时机已经成熟。
其次，建立新型的融合多学科的研究中心。郝克菲德例举了MIT新建的生物工程系。其他学校也有，如斯坦福的BIO-X，旧金山加州大学的QB3。
其实，以上两点在美国的一流大学早在本世纪初已经开始运作。事实上，笔者曾经任职的普林斯顿大学早在2002年就建立了Lewis-Sigler综合基因组学研究所，其研究者包括了来自分子生物学系、化学系、物理系、数学系、化工系、计算机系的教授，其本科教育主要针对一二年级的本科生，使他们早早接触多学科交叉教育，并利用这些知识在高年级以后进行独立课题的研究。在我国的高校是否也可以考虑建立类似的机构呢？当然，实体机构的建立固然重要，更重要的是支撑这些机构的软机制，后者更值得我们的政策制定者三思。
第三，经费支持倾斜，有意识地鼓励学科的交叉合作：现在美国的一些经费已经明确标明“支持交叉学科研究”。在我国，做到这点似乎不难，大家也应该比较容易达成共识，难的是如何让这些经费真正支持有创新性的跨学科研究，而不是变相支持那些拼凑起来的低水平组合、一旦有经费以后并不进行实质合作。
第四，建立政府部门间的联合，支持多学科交叉。在美国，NIH（美国国立健康中心）、能源部、国防部是主要的科学研究支持中心，他们资助的学科方向各有侧重。而在中国，科学研究的主要经费来源于科技部、自然科学基金委、卫生部、教育部等，而不依学科划分，所以也许鼓励交叉学科研究在政府层面上更易行。
事在人为。郝克菲德的演讲面对的是处于世界科学技术中心的美国，那里聚集了一大批世界上优秀的科学技术人才，又有一大批雄心勃勃、专心一意的年轻科学家作为中坚力量，挑起生命科学的第三次革命顺理成章，郝克菲德自然不用担心人才的因素。而在中国，高水平人才储备的不足却是我们的最大弱点之一。也许，对中国而言，比郝克菲德的四点倡议更重要的一点是如何更快、更好地建设我们的人才队伍。
历史经验证明，美国成为今日的世界头号强国重要原因之一在于二战之后它高度重视基础科学研究，大力发展科学技术。基础科学的发展带动了技术的变革，进一步改变了整个社会、经济、与个人生活。中国，得益于三十年来的改革开放政策，在世界舞台上发挥着越来越重要的作用。中国已经成为科技大国，但远非科技强国。中国要在瞬息万变的当今世界立于不败之地，必须大力发展科学技术。第三次生命科学革命的浪潮不仅仅影响生命科学，而且会带动科学技术的全面变革，进而全面影响社会生活的各个方面。中国已经错过了前两次生命科学的革命，面对刚刚拉开序幕的第三次，我们应该、也必须迅速应对，迎头赶上！
注：该文章原文发表于2009年6月15日的《文汇报》。