生命致简｜还原生命的本质及认知生命的极限

生命的本质

人的整个出生过程：一个精子在卵子表面不停地游逛，寻找一个入口，找到合适位点以后，会分泌一些酶，然后钻进去。卵子很聪明，一般不会让第二个精子再有机会，所以第一个精子进来，马上把入口封死。精子进来后就被降解，然后精子的细胞核和卵子的细胞核结合，形成双倍体，受精卵开始发育，逐渐分裂为2个细胞、再分裂为4个细胞、8个细胞、16个细胞，此时受精卵还在子宫外面游逛，还没有座床。继续分裂下去，形成64个细胞、128个细胞，这时它快要找到座床地点了。座床之后，继续发育。

图片发自App

​短短四个礼拜，胎儿开始有心跳。慢慢地，神经管形成了，脊椎形成了，四肢开始发育。到四五个月的时候，胎儿开始在母亲肚子里踢腾。出生之前，胎儿的大脑发育非常快，各种神经突触迅速形成。

生命开始之后，生命的历程很漫长，在这个漫长岁月里，生命充满艰辛。

科学应对生命挑战

我们生命的历程充满挑战，有很多来自于疾病，其中三类疾病对生命充满威胁。其中心血管疾病是最重要的杀手，仅在中国每年就有300万人死于心血管疾病。第二种疾病就是癌症，中国每年有265万人死于癌症。第三类疾病就是神经退行性疾病，死亡率不高，但是对人的困扰很大，严重影响生活质量。

如何运用科学去接受这些危险的挑战呢？

在古代，我们在黑暗中摸索，比如说当代的屠呦呦为找到治疗疟疾的方法，就是看了古典药学得到灵感，导致了青蒿素的发现。后来弗莱明发现青霉素，已经是用科学的方法论来探索。1985年以后，由于戈尔茨坦和布朗发现了低密度脂肪颗粒的受体(LDL受体)，开启了真正的征服心血管疾病的历程。人类始终用科学在应对挑战，从简单的摸索和经验积累，到最后通过基础研究驱使药物的发现。

治疗心血管疾病的药物的发现

研究发现，导致心血管形成斑块的低密度脂蛋白和受体结合以后会被细胞内吞，内吞以后低密度脂肪的颗粒会被降解，而受体会回到细胞表面，可以重生，再去把新的低密度脂蛋白拉到细胞内去，从而减少对人体有害的低密度脂蛋白。1985年，戈尔茨坦和布朗两位科学家，就是因为发现了低密度脂蛋白的受体而获得诺贝尔生理或医学奖。在戈尔茨坦、布朗和日本科学家Endo Akira等一大批人的努力下，很多降胆固醇的他汀类药物问世了。迄今为止，最有名的他汀类药物立普妥(阿托伐他汀)已经过了专利保护期。它在2011年专利过期之前，全球销售额高达160亿美元，堪称药神。我们一直在用基础研究去探索最前沿的和疾病做斗争的方式，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他汀类药物，并不能阻止心血管软斑块和硬斑块的形成。为什么呢?科学家发现，是因为这些人体内的低密度脂蛋白受体逐渐被降解得找不到了，如何把他们的受体的数量恢复出来，就是问题的核心。几年之前，科学家找到了PCSK9蛋白，它可以结合低密度脂肪蛋白的受体。结合到受体以后，低密度脂蛋白颗粒被受体一起拉到细胞内内吞了，也就是说，低密度脂蛋白受体在被细胞内吞的同时就牺牲了，也就不能再把流淌于血液中的低密度脂蛋白降解掉，这样低密度脂蛋白大量堆积，就形成了软斑块和硬斑块，最后带来致命的心血管疾病。这个过程是基础研究发现的，而发现这个过程的著名科学家海伦，是一位女性，获得了2015年的生命科学的突破奖。

治疗癌症新药物方向-“免疫疗法”

2015年8月20日，美国前总统卡特向所有世界上关心他的人宣布，自己得了晚期黑色素瘤，而且当时已经有4个2毫米大的肿瘤在脑子里，已经扩散了，他认为自己的时间不多了。然而短短3个月以后，2015年12月6日，他再次出现在大家面前，告诉人们，通过分子疗法，他脑子里的4个肿瘤已经完全找不到了。他的分子疗法就包括一个很有名的免疫疗法，就是针对PD-1表面受体的单克隆疗法。免疫疗法从根本上改变了人类对疾病的斗争方式。这种疗法的创始人，也是这一概念的发现者James Allison同样获得了生命科学突破奖。

治疗神经退行性疾病用药

非常遗憾，至今人类根本不知道病因，我们只是大概知道这个病是怎么回事。现在世界上有4700万人饱受这种疾病的困扰，预计2050年时，每3秒钟就有一个新的病人出现，我们会有超过一亿三千万人受它的困扰。神经退行性疾病中最有名的就是老年痴呆症症，也叫阿尔茨海默综合症。得这个病的病人很痛苦，因为生活不能自理。老年痴呆晚期的患者大脑里面有一个个很可怕的洞，大脑被吞噬掉了。虽然不知道到底是什么原因导致了老年痴呆症，但是大家公认，如果从分子水平上认识老年痴呆症，也许会为治疗带来曙光。在这方面科学需要不断探索。

认知生命的极限

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也知之甚少，我们基本上可以说什么都不知道。尽管我们有很好的学习记忆的模型，我们可以模拟出学习记忆的过程，但究竟是不是这样?我们真的不知道。因为我们是一个生物人，是一堆原子构成的人在理解生命。我们在用我们的五官，就是视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉理解这个世界。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，把信息全部集中到大脑，但是我们不知道大脑是如何工作的，所以我们的认知也不能叫客观。人是怎么样处理信息的呢?我们先来对信息做一个定义。有三个层面的信息物质：第一个物质是宏观的，就是我们可以感知到的，直觉可以看到的东西，比如人是一个物质，房子也是一个物质。第二个层面是微观的，包括眼睛看不到的东西也叫微观，我们可以借助仪器感知到、测量到，比如说原子、分子、蛋白，很远的一百亿光年以外的星球。第三个层面，就是超微观的物质。对这一类，我们只能理论推测，用实验验证，但是从来不知道它是什么，包括量子，包括光子。尽管知道粒子可以有自旋和能级、能量，但是我们真的很难通过直觉理解，这就是超微观世界。 这个世界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?人就是宏观世界里的一个个体，所以我们的本质一定是由微观世界决定，再由超微观世界决定。所以，我们人就是一堆由粒子构成的原子，如此之简单。我们有多少原子?大约有6×10^27个原子，形成大约60种不同的元素，但真正的比较多的元素，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，不管你怎么做研究，都无法解释人的意识。因此，要到量子力学层面去考察。

量子纠缠

1935年，当爱因斯坦(Einstein)和波多尔斯基(Podolsky)以及罗森(Rosen)一起，写出了著名的EPR佯谬之后，提出了量子纠缠。实际上“量子纠缠”这个词并不是爱因斯坦提出来的，而是薛定谔（埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887年8月12日－1961年1月4日），生于奥地利维也纳，奥地利理论物理学家，量子力学的奠基人之一）提出来的，当时看来是很不可思议的。量子纠缠的意思是说，两个纠缠的量子不管相距多远，它们都不是独立事件。当你对一个量子进行测量的时候，另外一个相距很远的量子居然也可以被人知道它的状态，可以被关联地测量，很不可思议。但这样一个简单的现象既然存在于客观世界，它会无处不在，包括存在于我们的人体里。量子纠缠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。加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)著名的理论和实验物理学家Matthew Fisher就笃信，人的意识、记忆和思维是量子纠缠的，要用量子理论来解释。那怎么证明呢?他说我一定要在实物上证明，要寻找量子纠缠的实体。很多科学家找了很长时间，发现神经细胞里面的微管可以形成量子纠缠，但是微管的时间尺度是10^(-20)秒到10^(-13)秒，远远小于人的记忆和意识的形成时间。但是他通过理论的实践，以模拟的方式找到了，他正在进行实验验证。比如把磷和钙放在一起，也就是磷酸钙，当磷酸钙以波斯纳分子集群(Posner molecule or cluster)形式存在的时候，它的量子纠缠时间可以长达105秒!能把这样一个极其脆弱的，对声、光、电、热都极其敏感的量子纠缠现象的持续时间提高15个数量级，那么如果再提高5个数量级，就可以达到年的水平，以年为单位来保存量子纠缠现象。那么依此类推，有一天我们人类会发现量子纠缠也是一个可以进化的现象，它可以保存一百年、一千年、一万年。也就是说，量子纠缠，它在远古的时候就存在了，在进化过程中被保存了下来。那么我们人究竟是什么?我们只不过是由一个细胞走过来的，就是受精卵，所有受精卵在35亿年以前，都来自于同一个细胞，同一团物质，一个处于复杂的量子纠缠的体系，就这么简单。我们每呼吸一次会摄入10^22次方的氧原子进入身体，进入共价结构。这一口呼吸至少有10^4次方以上的氧原子，被处在世界上一个很遥远角落里的，我们没有见过的人呼吸过至少一次，这在一个月内就会做到，人一辈子一直在这么做。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当中交换。科学发展到今天，我们看世界完全像盲人摸象一样，我们看到的世界是有形的，我们自己认为它是客观的世界。其实我们已知的物质的质量在宇宙中只占4%，其余96%的物质的存在形式是我们根本不知道的，我们叫它暗物质和暗能量。那么盲人摸象般地认识世界是科学吗?一定是科学。每个人摸的都是真实存在，而且都是客观存在的。因此人类的认知极限就在于，我们是一堆原子，我们处在宏观世界，我们希望去探索超微观世界。那是一个最美好的、极其美妙的世界。

本文根据施一公教授公开演讲稿编辑。