清華大學(xué)副校長：我們的生命奧秘要靠量子力學(xué)解釋
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今年1月，清華大學(xué)副校長、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長，中國科學(xué)院院士施一公教授在“未來論壇”年會(huì)上發(fā)表題為《生命科學(xué)認(rèn)知的極限》的演講。 與以往不同的是，施一公此番并未局限于生命醫(yī)學(xué)，他從人類生命飽受心血管疾病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病的三大挑戰(zhàn)開始，講述了人類如何通過科學(xué)來接受生命挑戰(zhàn)。但最終，人對(duì)生命認(rèn)知的極限問題將他的科學(xué)思索，由生物醫(yī)學(xué)帶向量子力學(xué)，向我們展現(xiàn)了一個(gè)生物學(xué)家面對(duì)生命之謎的不懈追問。 以下是演講全文： 今天，我想跟大家探討一下生命的本質(zhì)和生命的極限。 我們先看看人從哪而來?人的整個(gè)出生過程是這樣的：一個(gè)精子在卵子表面不停地游逛，尋找一個(gè)入口，找到合適位點(diǎn)以后，會(huì)分泌一些酶，然后鉆進(jìn)去。卵子很聰明，一般不會(huì)讓第二個(gè)精子再有機(jī)會(huì)，所以一有精子進(jìn)來，馬上把入口封死。精子進(jìn)來后就被降解，然后精子的細(xì)胞核和卵子的細(xì)胞核結(jié)合，形成雙倍體，受精卵開始發(fā)育，逐漸分裂為2個(gè)細(xì)胞、再分裂為4個(gè)細(xì)胞、8個(gè)細(xì)胞、16個(gè)細(xì)胞，此時(shí)受精卵還在子宮外面游逛，還沒有著床。繼續(xù)分裂下去，形成64個(gè)細(xì)胞、128個(gè)細(xì)胞，這時(shí)它快要找到著床地點(diǎn)了。著床之后，繼續(xù)發(fā)育。 你們可能知道也可能不知道，短短四個(gè)禮拜，胎兒開始有心跳。慢慢地，神經(jīng)管形成了，脊椎形成了，四肢開始發(fā)育，通過細(xì)胞凋亡，開始形成手指頭。到四五個(gè)月的時(shí)候，胎兒開始在母親肚子里踢騰。出生之前，胎兒的大腦發(fā)育非?？?，各種神經(jīng)突觸迅速形成。然而不要忘了，這樣一個(gè)鮮活的生命來自于一個(gè)受精卵。 生命開始之后，生命的歷程很漫長，這里面有很多苦惱。我記得我看過一首打油詩是這樣說的：0歲閃亮登場(chǎng)，10歲茁壯成長，20歲為情彷徨，30歲拼命打闖，40歲基本定向，50歲回頭望望，60歲告老還鄉(xiāng)，70歲搓搓麻將，80歲曬曬太陽，90歲躺在床上，100歲掛在墻上。
1科學(xué)如何應(yīng)對(duì)生命挑戰(zhàn) 我們生命的歷程飽受挑戰(zhàn)，有很多來自于疾病，其中三類疾病和人類有很大關(guān)系。其中心血管疾病是最重要的殺手，僅在中國每年就有303萬人死于心血管疾病，占32%。第二種疾病也很可怕，就是癌癥，我們身邊的人常常被癌癥奪去生命，中國每年有265萬人死于癌癥，占28%。第三類疾病死亡率不高，但是對(duì)人的困擾很大，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，就是神經(jīng)退行性疾病，有多位世界名人都曾受這類疾病的折磨。此外還有34%的人死于其他原因，其中大部分是傳染病，一小部分是交通事故和意外傷害。 我今天想告訴大家的是，我們?nèi)绾芜\(yùn)用科學(xué)去接受生命的挑戰(zhàn)。 在古代，我們?cè)诤诎抵忻?，比如說當(dāng)代的屠呦呦為找到治療瘧疾的方法，就是看了古典藥學(xué)得到靈感，導(dǎo)致了青蒿素的發(fā)現(xiàn)。后來弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，已經(jīng)是用科學(xué)的方法論來探索。1985年以后，由于戈?duì)柎奶购筒祭拾l(fā)現(xiàn)了低密度脂肪顆粒的受體(LDL受體)，開啟了真正的征服心血管疾病的歷程。人類始終用科學(xué)在應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，從簡單的摸索和經(jīng)驗(yàn)積累，到最后通過基礎(chǔ)研究驅(qū)使藥物的發(fā)現(xiàn)。我有三個(gè)例子在此分享。 第一個(gè)例子就是心血管疾病。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致心血管形成斑塊的低密度脂蛋白和受體結(jié)合以后會(huì)被細(xì)胞內(nèi)吞，內(nèi)吞以后低密度脂肪的顆粒會(huì)被降解，而受體會(huì)回到細(xì)胞表面，可以重生，再去把新的低密度脂蛋白拉到細(xì)胞內(nèi)去，從而減少對(duì)人體有害的低密度脂蛋白。1985年，戈?duì)柎奶购筒祭蕛晌豢茖W(xué)家，(也是在座的王曉東的博士后導(dǎo)師)，就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了低密度脂蛋白的受體而獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 在戈?duì)柎奶?、布朗和日本科學(xué)家Endo Akira等一大批人的努力下，很多降膽固醇的他汀類藥物問世了，包括1987年問世的第一個(gè)心血管疾病的藥物。迄今為止，最有名的他汀類藥物立普妥(阿托伐他汀)已經(jīng)過了專利保護(hù)期，在座的就應(yīng)該有人服用過這種藥。在它于2011年專利過期之前，全球銷售額高達(dá)160億美元，堪稱藥神。 我們一直在用基礎(chǔ)研究去探索最前沿的和疾病做斗爭的方式，我們雖然有很多他汀類藥物，但是很多高血脂的人僅僅靠吃他汀類藥物，并不能阻止心血管軟斑塊和硬斑塊的形成。為什么呢?科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)檫@些人體內(nèi)的低密度脂蛋白受體逐漸被降解得找不到了，如何把他們的受體的數(shù)量恢復(fù)出來，就是問題的核心。 幾年之前，科學(xué)家找到了PCSK9蛋白，它可以結(jié)合低密度脂肪蛋白的受體。結(jié)合到受體以后，低密度脂蛋白顆粒被受體一起拉到細(xì)胞內(nèi)內(nèi)吞了，也就是說，低密度脂蛋白受體在被細(xì)胞內(nèi)吞的同時(shí)就犧牲了，也就不能再把流淌于血液中的低密度脂蛋白降解掉，這樣低密度脂蛋白大量堆積，就形成了軟斑塊和硬斑塊，最后帶來致命的心血管疾病。這個(gè)過程是基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)的，而發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程的著名科學(xué)家海倫，是一位女性，獲得了2015年的生命科學(xué)的突破獎(jiǎng)。 第二個(gè)例子我們講講治療癌癥的新的曙光，也就是大家聽過很多次的“免疫療法”。這個(gè)免疫療法最有名的一個(gè)例子，是2015年8月20日，美國前總統(tǒng)卡特向所有世界上關(guān)心他的人宣布，自己得了晚期黑色素瘤，而且當(dāng)時(shí)已經(jīng)有4個(gè)2毫米大的腫瘤在腦子里，已經(jīng)擴(kuò)散了，他認(rèn)為自己的時(shí)間不多了。然而短短3個(gè)月以后，2015年12月6日，他再次出現(xiàn)在大家面前，告訴人們，通過分子療法，他腦子里的4個(gè)腫瘤已經(jīng)完全找不到了。 他的分子療法就包括一個(gè)很有名的免疫療法，就是針對(duì)PD-1表面受體的單克隆療法。免疫療法從根本上改變了人類對(duì)疾病的斗爭方式。這種療法的創(chuàng)始人，也是這一概念的發(fā)現(xiàn)者James Allison同樣獲得了生命科學(xué)突破獎(jiǎng)。對(duì)這一過程也做出了重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家中，還包括一位中國人，就是陳列平博士。 第三個(gè)例子是神經(jīng)退行性疾病。非常遺憾，至今人類根本不知道病因，盡管我可以告訴大家很多的理論、數(shù)據(jù)和實(shí)踐，但我們只是大概知道這個(gè)病是怎么回事?，F(xiàn)在世界上有4700萬人飽受這種疾病的困擾，預(yù)計(jì)2050年時(shí)，每3秒鐘就有一個(gè)新的病人出現(xiàn)，我們會(huì)有超過一億三千萬人受它的困擾。 神經(jīng)退行性疾病中最有名的就是老年癡呆癥癥，也叫阿爾茨海默綜合癥。得這個(gè)病的病人很痛苦，因?yàn)樯畈荒茏岳?。老年癡呆晚期的患者大腦里面有一個(gè)個(gè)很可怕的洞，大腦被吞噬掉了。雖然不知道到底是什么原因?qū)е铝死夏臧V呆癥，但是大家公認(rèn)，如果從分子水平上認(rèn)識(shí)老年癡呆癥，也許會(huì)為治療帶來曙光。 我自己的實(shí)驗(yàn)室也在朝這個(gè)方向努力。我們?nèi)ツ暝谠臃直媛噬鲜状螆?bào)道了與老年癡呆有直接關(guān)系的人源γ分泌酶的結(jié)構(gòu)，這個(gè)人源γ分泌酶被認(rèn)為是導(dǎo)致老年癡呆癥必不可少的一個(gè)致病蛋白，所以也許通過后續(xù)的深化研究，我們可以找到治療老年癡呆癥的辦法。
2認(rèn)知生命有極限 我舉了心血管疾病、癌癥、老年癡呆癥的例子，最后過渡到大腦。不要說我們對(duì)老年癡呆癥的病因不清楚，對(duì)大腦這樣一個(gè)神秘的器官我們也知之甚少，我們基本上可以說什么都不知道。盡管我們有很好的學(xué)習(xí)記憶的模型，我們可以模擬出學(xué)習(xí)記憶的過程，但究竟是不是這樣?我們真的不知道。 我甚至認(rèn)為包括我們的電信號(hào)記錄的神經(jīng)沖動(dòng)電位，只是一個(gè)表象，不一定是學(xué)習(xí)記憶的本質(zhì)。為什么?因?yàn)槲覀兇_實(shí)是這樣一個(gè)生物人，是一堆原子構(gòu)成的人在理解生命。 我們?cè)谟梦覀兊奈骞?，就是視覺、嗅覺、聽覺、味覺、觸覺理解這個(gè)世界。這個(gè)過程是不是客觀的呢，肯定不是客觀的。我們的五官感受世界以后，把信息全部集中到大腦，但是我們不知道大腦是如何工作的，所以在這方面也不能叫客觀。 我們?nèi)司烤故鞘裁茨?仔細(xì)想一想，人是怎么樣處理信息的呢?我們先來對(duì)信息也就是物質(zhì)做一個(gè)定義。我們有三個(gè)層面的物質(zhì)：第一個(gè)物質(zhì)是宏觀的，就是我們可以感知到的，直覺可以看到的東西，比如人是一個(gè)物質(zhì)，房子也是一個(gè)物質(zhì)，天安門、故宮都是物質(zhì)。第二個(gè)層面是微觀的，包括眼睛看不到的東西也叫微觀，我們可以借助儀器感知到、測(cè)量到，從直覺上認(rèn)為它存在，比如說原子、分子、蛋白，比如說很遠(yuǎn)的一百億光年以外的星球。第三個(gè)層面，就是超微觀的物質(zhì)。對(duì)這一類，我們只能理論推測(cè)，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是從來不知道它是什么，包括量子，包括光子。盡管知道粒子可以有自旋和能級(jí)、能量，但是我們真的很難通過直覺理解，這就是超微觀世界。 但盡管如此，我們還是要想一想，這個(gè)世界是超微觀世界決定微觀世界，微觀世界決定宏觀世界。我們?nèi)耸鞘裁?人就是宏觀世界里的一個(gè)個(gè)體，所以我們的本質(zhì)一定是由微觀世界決定，再由超微觀世界決定。我毫不懷疑我就是一個(gè)薛定諤方程、一個(gè)生命形式、一個(gè)能量形式，但不知道怎么解這個(gè)方程，不知道思維是怎么產(chǎn)生的，僅此而已。我相信，你也應(yīng)該相信，我們每個(gè)人不僅是一堆原子，而是一堆粒子構(gòu)成的。 所以，我們真的就是一堆由粒子構(gòu)成的原子，如此之簡單。我們有多少原子?大約有6×10^27個(gè)原子，形成大約60種不同的元素，但真正的比較多的元素，不過區(qū)區(qū)11種。原子通過共價(jià)鍵形成分子，分子聚在一起形成分子聚集體，然后形成小的細(xì)胞器、細(xì)胞、組織、器官，最后形成一個(gè)整體。但是你會(huì)覺得，不管你怎么做研究，都無法解釋人的意識(shí)，這超越了我們能說出和能感知的層面。我認(rèn)為要解釋意識(shí)，一定得超出前兩個(gè)層次，到量子力學(xué)層面去考察。我自己認(rèn)為是這樣的。
3量子糾纏是可以進(jìn)化的現(xiàn)象嗎？ 所以我想班門弄斧講一講量子糾纏。1935年，當(dāng)愛因斯坦(Einstein)和波多爾斯基(Podolsky)以及羅森(Rosen)一起，寫出了著名的EPR佯謬之后，提出了量子糾纏。實(shí)際上“量子糾纏”這個(gè)詞并不是愛因斯坦提出來的，而是薛定諤提出來的，當(dāng)時(shí)看來是很不可思議的。 量子糾纏的意思是說，兩個(gè)糾纏的量子不管相距多遠(yuǎn)，它們都不是獨(dú)立事件。當(dāng)你對(duì)一個(gè)量子進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，另外一個(gè)相距很遠(yuǎn)的量子居然也可以被人知道它的狀態(tài)，可以被關(guān)聯(lián)地測(cè)量，很不可思議。但這樣一個(gè)簡單的現(xiàn)象既然存在于客觀世界，我相信它會(huì)無處不在，包括存在于我們的人體里。是不是這樣呢?當(dāng)然是這樣。量子糾纏怎么樣影響我們的生命，其實(shí)我們不知道，為什么?因?yàn)檫@不是我們可以用直覺去感受的。 加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)著名的理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Matthew Fisher就篤信，人的意識(shí)、記憶和思維是量子糾纏的，要用量子理論來解釋。那怎么證明呢?他說我一定要在實(shí)物上證明，要尋找量子糾纏的實(shí)體。很多科學(xué)家找了很長時(shí)間，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞里面的微管可以形成量子糾纏，但是微管的時(shí)間尺度是10^(-20)秒到10^(-13)秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人的記憶和意識(shí)的形成時(shí)間。但是他通過理論的實(shí)踐，以模擬的方式找到了，他正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
比如把磷和鈣放在一起，也就是磷酸鈣，當(dāng)磷酸鈣以波斯納分子集群(Posner molecule or cluster)形式存在的時(shí)候，它的量子糾纏時(shí)間可以長達(dá)105秒!能把這樣一個(gè)極其脆弱的，對(duì)聲、光、電、熱都極其敏感的量子糾纏現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間提高15個(gè)數(shù)量級(jí)，那么如果再提高5個(gè)數(shù)量級(jí)，就可以達(dá)到年的水平，以年為單位來保存量子糾纏現(xiàn)象。那么依此類推，你們覺不覺得，有一天我們?nèi)祟悤?huì)發(fā)現(xiàn)量子糾纏也是一個(gè)可以進(jìn)化的現(xiàn)象，它可以保存一百年、一千年、一萬年。也就是說，量子糾纏，它在遠(yuǎn)古的時(shí)候就存在了，在進(jìn)化過程中被保存了下來。 我要問你們四個(gè)問題。第一個(gè)問題，你們相信有第六感官嗎?很多人會(huì)說不相信。第二個(gè)問題，有沒有可能，兩個(gè)人會(huì)以未知的方式進(jìn)行交流?你會(huì)說也許，不會(huì)像第一個(gè)問題那樣肯定地說不信。第三個(gè)問題，量子糾纏是否存在于人類的認(rèn)知世界里面?存在于大腦里?我相信聽了我的講座，你會(huì)覺得很有可能。第四個(gè)問題，量子糾纏是不是適用于地球上的物質(zhì)呢?你一定會(huì)說一定適用，因?yàn)槲覀円呀?jīng)證明了。但其實(shí)簡單講，這四個(gè)問題是完全一樣的問題，倒推回去就說明一定有第六感官，只是我們無法感受，所以叫“第六感官”。 那么我們?nèi)司烤故鞘裁?我們只不過是由一個(gè)細(xì)胞走過來的，就是受精卵，所有受精卵在35億年以前，都來自于同一個(gè)細(xì)胞，同一團(tuán)物質(zhì)，一個(gè)處于復(fù)雜的量子糾纏的體系，就這么簡單。 其實(shí)我不知道這里面是什么，但是我相信它。我每呼吸一次會(huì)攝入10^22次方的氧原子進(jìn)入我的身體，進(jìn)入共價(jià)結(jié)構(gòu)。這一口呼吸至少有10^4次方以上的氧原子，被處在世界上一個(gè)很遙遠(yuǎn)角落里的，我沒有見過的人呼吸過至少一次，這在一個(gè)月內(nèi)就會(huì)做到，人一輩子一直在這么做。而兩個(gè)人在一個(gè)房間里的時(shí)候，一天可以有63克的氧氣在彼此的肺當(dāng)中交換。 科學(xué)發(fā)展到今天，我們看世界完全像盲人摸象一樣，我們看到的世界是有形的，我們自己認(rèn)為它是客觀的世界。其實(shí)我們已知的物質(zhì)的質(zhì)量在宇宙中只占4%，其余96%的物質(zhì)的存在形式是我們根本不知道的，我們叫它暗物質(zhì)和暗能量。 那么盲人摸象般地認(rèn)識(shí)世界是科學(xué)嗎?一定是科學(xué)。每個(gè)人摸的都是真實(shí)存在，而且都是客觀存在的，都是看得見摸得著的，我們現(xiàn)在也是如此。只是我們不知道摸的是象的后背，還是尾巴，還是耳朵。我認(rèn)為人類的認(rèn)知極限就在于，我們是一堆原子，我們處在宏觀世界，但我們希望隔著兩個(gè)世界去看超微觀世界。那是一個(gè)最美好的、極其美妙的世界。謝謝大家！
該文章在 2017/1/4 23:32:28 編輯過 |
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