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施一公:生命的本质是什么?

2016年01月21日 15:41 来源于 财新网
人究竟是什么?我们来自于一个受精卵,而所有受精卵在35亿年以前来自于同一个细胞,同一团物质,一个处于复杂的量子纠缠的体系,就这么简单

  演讲 | 施一公(清华大学教授,中国科学院院士)

  整理 | 陈晓雪、王承志

  今天,我想跟大家探讨一下生命的本质和生命的极限。

  人从哪而来?这里有一个动画,显示的是人出生的整个过程。一个精子在卵子表面不停游荡,找到合适位点后会分泌一些酶,钻到卵子里去。卵子很聪明,一般情况下不会让精子有第二个机会,所以在第一个卵子进来之后马上把入口封死。进到卵子以后的精子被降解掉,精子核和卵子核结合,形成双倍体,然后开始发育。

  分裂成2个细胞、4个细胞时,你看它还在子宫外表游逛,8个细胞、16细胞还没有着床。64细胞、128细胞起,受精卵快要找到它的着床地点了。着床之后,(受精卵)开始发育,短短四个礼拜后胎儿开始有心跳,神经形成了,脊柱开始形成了,四肢开始发育,通过细胞凋亡开始形成手指头。四、五个月的时候胎儿在母亲肚子里开始踢腾,出生之前胎儿的大脑发展得非常快,神经元和各种神经突触迅速形成。然而不要忘了,这样一个生命来自于一个受精卵。

  生命开始之后,它的历程很漫长,这里面有很多苦恼。我记得我看过一首打油诗,它是这样说的,“0岁闪亮登场,10岁茁壮成长,20岁为情彷徨,30岁拼命打闯,40岁基本定向,50岁回头望望(我这年纪),60岁告老还乡,70岁搓搓麻将,80岁晒晒太阳,90岁躺在床上,100岁挂在墙上”。

  我们生命的历程饱受挑战,受到很多疾病的挑战,其中有三类疾病跟我们在座的各位有很大关系,与人类有很大关系。

  心血管疾病是最重要的杀手,仅在中国每年就有303万人死于心血管疾病,占死亡人数的32%。第二个疾病也很可怕,就是癌症,我们身边的人常常被癌症夺去生命,占28%,在中国256万人。第三类疾病占的比例不是很大(大约1%),但困扰很多人,死亡率虽然不高,但是生活质量严重下降,这就是神经退行性疾病。还有34%的人死于其他原因,其中大部分是传染病,还有一部分是交通事故和意外。

  我今天想告诉大家的是,我们如何运用科学去接受生命的挑战。

  从古代时起,我们就在黑暗中摸索,比如说当代的屠呦呦看了古代的药学典籍,得到了一些灵感,导致了青蒿素的发现,获得了诺贝尔奖。而后来弗莱明发现青霉素,已经开始用科学的方法来探索。1985年以后,包括Joseph Goldstein和 Michael Brown,开始发现所谓的低密度脂蛋白的受体,也就是我们熟知的LDL受体,开始真正地征服心血管疾病。人类始终用科学,从简单的摸索经验积累,到最后的基础研究驱使的药物发现。这就是我要讲的第一个例子——心血管疾病。

  导致心血管出现斑块的低密度脂蛋白受体和低密度脂蛋白结合以后被细胞内吞,之后低密度脂蛋白颗粒会被降解掉,受体会回到细胞表面,可以重生、循环,再把新的低密度脂蛋白拉到细胞体内去。

  1985年,两位科学家Goldstein和Brown,也就是王晓东博士后的导师,因发现LDL的受体获得了诺贝尔生理或医学奖。在Goldstein、Brown和日本科学家Endo Akira等这一大批人的努力下,很多他汀类药问世,包括1987年问世的第一个心血管疾病的药物。现在,最有名的他汀药——阿托伐他汀的专利已经过期,在座的就应该有人服用过这种药。在阿托伐他汀的专利于2011年过期之前,它的销售额达到160亿美元,堪称药神。

  我们一直在用基础研究去探索与疾病做斗争最前沿的方式,我们虽然有很多他汀类药物,但是很多高血脂的人仅仅靠吃这个药并不能阻止软斑块和硬斑块的形成,为什么呢?

  科学家发现,这些人当中,他们的LDL受体已经被逐渐降解找不到了。如何恢复这些人的LDL受体的数量是核心。

  几年之前,科学家找到了蛋白PCSK9,它可以结合LDL的受体。结合到受体以后,LDL颗粒被受体一起拉到细胞内内吞降解掉,也就是说LDL受体被拉到细胞内的同时就牺牲了,就不再可以把血液中流淌的LDL降解掉,这样LDL大量堆积形成软斑块、硬斑块,最后带来致命的心血管疾病。这一过程是通过基础研究发现的,而发现这个过程的著名科学家Helen Hobbs是一位女性,她获得了2016年度的生命科学突破奖。

  第二个小例子,我给大家讲一讲治疗癌症的新曙光,也就是大家听了很多的免疫疗法。免疫疗法最有名的一个例子是2015年的8月20号,美国前总统卡特向所有世界关心它的人宣布,他得了晚期黑色素瘤,而且当时已经有4个2毫米大的肿瘤在脑子里扩散。他认为自己的时间不多了。然而,短短3个月之后,2015年12月26号,他再次出现在记者面前,告诉大家,通过分子疗法,脑子里的4个肿瘤已经完全找不到了。

  卡特的分子疗法包括一个很有名的免疫疗法,即针对PD-1表面受体的单克隆抗体疗法。免疫疗法的出现开始从根本上改变人类对疾病的斗争。癌症免疫疗法的创始人James Allison也获得了生命科学突破奖。对这一过程做出重大贡献的科学家中,也包括中国科学家陈列平博士。

  第三个例子是神经退行性疾病。非常遗憾,人类至今不知道它的病因。尽管我可以告诉大家很多理论、实践、数据,但我们还不知道根本病因。世界上有4700万人饱受这一疾病的困扰,预计到2050年,每3秒钟就会有一个新的病例出现,到时将有一亿三千万人受到它的困扰。

  神经退行性疾病中最有名的是老年痴呆症,也叫阿尔茨海默综合症。患了阿尔茨海默综合症的病人很痛苦,因为他们生活不能自理。老年痴呆晚期患者的大脑里,有一个个很可怕的洞,大脑被这些洞吞噬掉。

  虽然我们不知道什么导致了老年痴呆症,大家公认的的是,从分子水平上认识到老年痴呆症,也许会为治疗带来曙光。

  我自己的实验室里,也在朝这个方向努力。我们去年首次报道了原子分辨率的人源γ分泌酶的结构,这个酶被认为是老年痴呆症的过程中必不可少的一个致病蛋白。也许通过后续的深化研究,我们可以找到新的治疗老年痴呆症的办法。

  我举了心血管疾病、癌症、老年痴呆症的例子,最后过渡到大脑。不要说我们对老年痴呆症的病因不清楚,对大脑这样一个神秘的器官我们还知之甚少,我们甚至可以说,基本上是什么都不知道。尽管我们有很好的学习记忆的模型,我们可以模拟出来学习记忆,究竟是不是这样,我们真的不知道。我甚至认为包括我们的电信号记录的神经冲动电位,只是一个表象,它不一定是学习记忆的本质。为什么?我们确实是这样一个生物人,用一堆原子构成的人来去理解生命。

  我们在用我们的感官,视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉感受这个世界。这个过程是不是客观的呢,肯定不是客观的。我们的五官感受世界以后,把信息集中到大脑,但是我们不知道大脑如何工作,所以这方面也不能叫客观。

  人究竟是什么?仔细想想,人是怎么样处理信息呢?

  我们先对信息,也就是物质做一个定义。我们有三个层面的物质,第一个层面的物质是宏观,就是我们可以感知到的,直觉可以看到的。人是物质,房子也是物质,天安门、故宫都是物质。第二个层面是微观,包括远处看不到的我也管它叫微观,我们可以借助仪器感知到、测量到,从直觉上认为它存在,比如说原子、分子、蛋白,比如说一百亿光年之外的星球,我们认为它存在,都叫微观。第三个层面是超微观。我们只能用理论推测,我们用实验验证,但是从来不知道它是什么,包括量子、光子,我们尽管知道可以有自旋、能级、能量,但很难从直觉上理解,这是超微观世界。

  但是,尽管如此我们还是要想一想,这个世界的等级是超微观世界决定微观世界,微观世界决定宏观世界。我们人是什么呢?人就是宏观世界里的一个个体,所以我们人的本质一定是由微观世界决定,再由超微观世界决定。

  我毫不怀疑我自己就是一个生命形式,一个能量形式,就是一个薛定谔方程,只是这个方程我们不知道怎么解,我也不知道思维在这个方程中怎样产生,仅此而已。我相信,我相信你也应该相信,我们每个人终究不仅是一堆原子,而是一堆粒子构成的。

  所以,我们就是一堆由粒子构成的原子,如此简单。我们有多少原子?大约有6×10^27个原子,大约60种不同的元素,真正比较多的元素,不过区区11种,原子通过共价键形成分子,分子聚在一起形成所谓的分子聚集体,然后形成小的细胞器、细胞、组织、器官,最后形成一个整体。但是你会觉得something is missing,不管你怎么样做研究,你都无法解释人的意识。我认为这个是beyond what we can see,beyond what we can feel,超越了第一和第二个层面,我自己认为答案一定是在量子力学的层面。

  所以,我想班门弄斧讲一讲量子纠缠。1935年,爱因斯坦和Podolsky、Rosen提出EPR佯谬,提出了量子纠缠。但是量子纠缠这个词并不是爱因斯坦提出来的,而是薛定谔提出来的。当时,薛定谔认为,两个纠缠的量子不管相距多远,当你对这个量子进行测量的时候,它不是一个独立的事件,另外一个很远的量子居然也可以知道它的状态,可以进行关联的测量,这是很不可思议。

  这一个简单的现象既然存在,在客观世界,我相信它会无处不在,包括在我们的人体里。是不是这样?当然是这样。它怎么样影响我们的生命,其实我们不知道,为什么?因为这不是我们可以用直觉去感受的。加州大学圣芭芭拉分校教授著名的理论和实验物理学家Matthew Fisher,笃信人的意识、记忆和思维是量子纠缠。他怎么证明他的理论?他说他一定要实物上证明,而不是像爱因斯坦一样只是思想证明。因此,他开始寻找量子纠缠的实体。

  科学家们找了很长时间,发现神经细胞里面的微管可以进行量子纠缠,但是微管的时间尺度是10^(-20)秒到10^(-12)秒,远远小于记忆形成的时间和人的意识形成的时间。但是他通过理论的实践,以模拟的方式找到了,他正在进行实验和验证。

  比如说把磷和钙放在一起,也就是磷酸钙,当它以波斯纳分子集群形式存在时,它的量子纠缠时间可以长达105秒。把这样量子纠缠一个极其脆弱,对声、光、电、热极其敏感的现象可以延续15个数量级的提高,它只要再提到5个数量级就可以到年的水平,也就是量子纠缠可以以年为单位来保存。

  那么依此类推,你会不会觉得,我们人类会进化,量子纠缠也是一个可以被进化的现象吗?量子纠缠也可以保存一百年、一千年、一万年,就像是远古进化留下来的东西,从远古开始就存在,在进化过程中被保存下来。

  我现在要问四个问题。在座的各位,你相信有第六感官吗?很多人会说,我不相信。那我问第二个问题,有没有可能两个人现在通过人类未知的方式交流?你会说,也许。这不像是第一个问题,你说,我不信。我再问第三个问题,量子纠缠是否存在于人类的认知世界里面、大脑里?我相信听了我的讲座,你会觉得很有可能。第四个问题,量子纠缠是不是适用地球上的物质上呢?你一定会说一定适用,因为这已经被证明了。这四个问题是完全一样的问题,从第四个问题倒推回去就说明一定有第六感官,只是我们无法感受,所以它叫第六感官。

  人究竟是什么?我们只不过是一个细胞过来的,也就是受精卵,所有受精卵在35亿年以前来自于同一个细胞,同一团物质,一个处于复杂的量子纠缠的体系,就这么简单。

  其实我不知道这里面是什么,但是我相信它。我每呼吸一次,我摄入10^22个氧原子,这一口呼吸至少有10^40个氧原子,被世界一个到很远的角落,一个我没有见过的人呼吸过至少一次。我在一个月之内这样做了,而人一辈子都这么做的。而两个人在一个房间里的时候,一天可以有63克的氧气在彼此的肺中交换。这里面也包括物质的交换,进入共价结构。

  人类科学发展到今天,我们看世界犹如盲人摸象,我们看到的物质世界是有形的,我们自认为这就是客观的世界,但不要忘了,这些在宇宙中只占4%的质量,96%的物质和能量我们根本不知道,我们叫暗能量和暗物质。

  盲人摸象般认识世界是科学的吗?当然是科学的,每个人摸的部位都是真实存在的,而且都是客观存在,都是看得见摸得着的,说得出来,很形象的。我们现在也是如此,只是我们不知道摸的是背,还是尾巴,还是耳朵。

  我们是原子,我们在宏观世界,我们希望隔着两个世界看超微观,但我觉得那是一个最美好的、极其美妙的世界。

  谢谢大家!

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

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责任编辑:崔筝 | 版面编辑:张柘-实习
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