从硅时代到碳时代——生命科学的未来已来

原标题：从硅时代到碳时代——生命科学的未来已来

在人类历史发展的过程中，我们经常用最具代表性的生产元素来指代一个历史时期，如：石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代、原子时代等。如果我们以此为对照，那么20世纪后半叶以来，计算机、芯片、互联网引领了社会的快速发展，成为了舞台的聚光点。这一时代最引人注目的元素无疑是硅，这个时代可以称为“硅时代”。

随着科技的进步，人类生产和可利用的物质资源越来越多，每个个体都开始拥有越来越多消费不完的物质。许多原来稀缺的物质需求对于今天的人们来说已经不是问题。但是，人类对于自身健康的关注度始终持续升温，生命科学领域的服务和产品拥有庞大的市场需求。下一个时代的核心元素一定会是有机物的核心元素，也是硅的同族元素——碳。我们已不期然地从“硅时代”过渡到了“碳时代”。

作为信息时代的核心元素，硅是地球上储藏最丰富的元素之一，是无机化合物的主角，在岩石、土壤和砂子中都有丰富的硅。硅，位于元素周期表第四主族，与碳元素相同：原子最外层均有四个电子，主要形成四价的共价化合物。从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了人类的思维方式。硅材料具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件等特性，成为应用最多的一种半导体材料，集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。碳作为硅的同族元素，是有机物的核心元素。目前普遍认可的对于有机物和无机物的区分，仍然把是否含有碳元素作为一个重要标准。相对于硅原子而言，碳原子具有更加丰富的成键方式。(碳原子最外层4个电子形成共价键时，可以形成4个单键;2个单键+1个双键; 1个单键+1个三键;2个双键;还可以形成大 键等。)碳原子相互之间及与其他原子之间，可以形成各种各样的链状和环状结构，所形成的环可以是单环，也可以是多环，环可大可小，链可长可短，支链可多可少等。碳原子数量可以是几个，也可以是成千上万，许多聚合物甚至可以有几十万个碳原子。此外，有机化合物中同分异构现象非常普遍，这也是有机化合物数目繁多的原因之一。碳原子的这些特性，使得有机物的种类相对于无机物大大丰富，也带来了无限的可能性，可以说，生命的起源，与以碳为核心元素的多种有机物中，有某些必然的联系。

地球上所有的生命体中都含有丰富的有机物。此外，许多与人类生活有密切相关的物质，如化纤、塑料、橡胶、药物等，均与有机物有密切联系。地球上的生命形式大都主要是由有机物组成的。一种普遍认可的生命起源理论认为：最早的生命起源于“原始汤”——漂浮着大量简单有机物的海洋。阳光把简单分子建成复杂分子，逐渐出现一条复杂的链构成的大分子，链本身是由各种类型的起构件作用的分子所组成。构件会自动地按照一定的序列排列起来，形成一条“链”，这种链有合二为一或一分为二的可能，并在一个偶然的机会下实现了自我复制，这种复制过程中作为样板的作用并不产生完全相同的拷贝，而是某种“反象”，这种“反象”转过来再产生和原来的正象全似的拷贝：现代的第一个复制基因即DNA分子，它所使用的是从正到反的复制过程。在不断的复制中不可避免会出现一些缺陷和谬误，这种“错误”的积累带来了多种编码方式，保证了物种的多样性。从病毒到人类，所有生物体内的新陈代谢和生物的遗传现象，都涉及到有机化合物的转变。

最初的生命体在发展过程中逐渐分化，其中的一大分支，即现在的植物，开始利用阳光直接把简单分子建成复杂分子，并供给自身。另外一个分支，即现在的动物，要么以植物为食，要么以其他的动物为食。随着时间的推移，更小的分支以及分支的分支逐渐形成，每一个小分支都在某一特殊方面(如在海洋里、陆地上、天空中、地下、树上、或其他生活体内)，取得超人一等的谋生技能。各种小分支不断形成，终于带来了今日如此丰富多彩的生态环境。

“碳时代”下的商业生态正在发生变化

这种“冷知识”看似深奥枯燥，但当我们和现代生活方式的发展路径进行对比后，就会发现一些有趣的巧合：在生产力低下，物质贫乏的年代，人们的需求和相应的供给都是比较单一而缺乏想象力的。小到着装，大到汽车，几乎全国统一，体现不出差异性和个性，正如混沌状态一锅各种小分子组成的“汤”，看不出什么多种未来的可能性。而在现在这个信息高度发达，物质供给多样的社会条件下，商业更注重个性化的情感和审美，各种越来越个性化、精细化的要求都在被满足。在这个进化过程中各个商业组织都在寻求建立以自己为核心的生态圈：一个商业生态圈一般会由一家强大的公司或一个庞大的市场需求为主导，以此为核心，寻找上下游产业链的相关企业一起合作。同时通过各种形式的“联姻”迅速扩充产品线，共同构建起一个强大的联盟，来对抗外界冲击，同时更好地适应“空气”和“土壤”，同时发展出各种小分支以及更小的分支迎合市场中的各种个性化需求。这个进化过程带来了空前繁荣的商业体系和多种多样的商业生态系统。

“有机化”、“生命化”趋势带来了生命科学的崛起

如果从生物学和进化的角度去观察，就很容易理解未来时代发展的趋势，必然是从机械化向生命化发展，同时以碳为核心元素的生命科学领域即将接棒以硅为核心元素的计算机互联网领域成为下一个风口。在目前这样的过渡时期，商业的发展必将呈现两方面的特点：原有优势行业(计算机和互联网行业)发展趋势呈现“有机化”“生命化”;与生命科学相关的产业将迅速崛起，成为引领时代发展的领域。

在计算机、互联网行业， “有机化”“生命化”的趋势体现在两个方面：一方面越来越多的碳基材料，有机物开始取代冷冰冰的金属和晶元出现在计算机中;另一方面使用计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为的人工智能。

在从“硅”到“碳”的过渡时代，传统意义上的有机材料越来越多的出现在全新的应用领域。1965年，英特尔联合创始人戈登-摩尔(Gordon Moore)观察到，集成电路中的元件集成度每12个月就能翻番。此外，确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。这一现象经简化总结后就被称作“摩尔定律”：单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。摩尔定律提出的预测早在很久之前就已出现过问题。2014年，国际半导体技术路线图组织决定，下一份路线图将不再依照摩尔定律。与硅相比，碳基材料，能带来更快的开关速度，而功耗也较低。无论是碳纳米管还是石墨烯，也在继续被业内研究。在许多备选材料中，二维材料“石墨烯”目前最被看好。另一个被给予厚望，可能在未来20-30年内出现革命性成果的研究领域是生物计算机。1994年11月生物计算机概念首次提出后立即大火：基于蛋白质的“晶体管”;计算效率远高于任何硅基计算机的细菌计算机，还有更为极致的DNA计算机：一支试管中可同时容纳1万亿个此类计算机，运算速度可以达到每秒10亿次，1立方厘米空间可储存的资料量超过1兆片CD，能耗仅相当于普通电脑的10亿分之一甚至更低。

作为高度进化的智慧生物——人类，对自身的意识、思维的信息过程的人工模拟是人们一直尝试探索的一个重要领域。今年三月中旬的五场韩国九段棋王李世乭对战Google AI程式 AlphaGo的世纪之战，更引发了大众对人工智能的普遍关注。人工智能的发展历史是和计算机科学技术的发展史联系在一起的。从计算机被发明出来之后，人们一直研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作，模拟人的某些思维过程和智能行为。“弱”人工智能如今不断地迅猛发展，我们时常接触的 Siri 和 Android 设备上的语音助手就是最好的两个例子。“强”人工智能则暂时处于瓶颈，未来突破可能还要寄希望于多学科，特别是生物学、医学、神经生理学、心理学等学科的共同发展。

除了以往优势行业“有机化”“生命化”的趋势，从一个相对较长的历史时期内预测，与生命科学相关的产业也必将迅速崛起，成为引领时代发展的领域。人类进入21世纪，环境恶化、人口老龄化，这些因素给人类带来巨大挑战的同时，也给生命医药行业带来巨大的历史机遇。从当前的国情出发，上一波人口红利正在转化为老龄化的巨大压力，中国作为老年人口大国，本身就是生命科技产品的巨大市场。加之最近二胎政策开放，“一老一小”推动了旺盛的需求。而现在国内的生命科学产业发展还很不成熟，几乎不存在市场化的规范的服务产品，医疗资源短缺，医改7年，医患关系越来越紧张，甚至成为一个影响巨大的不稳定因素。有人说是体制问题，是资源投入不够的问题。2014年美国全社会医疗卫生总支出占GDP16%，全球第一，但美国人对医疗政策和医疗现状依然怨声载道。

这一系列问题的本质原因是生命科学的研究水平，医学技术、诊疗技术的发展水平和社会需求存在极大的差距。与各行业的互联网化带来的这波红利不同，传统行业之前是“供需两旺，信息不畅”，而生命科学相关产业如果不通过基础研究上取得突破，从根源上解决供给的问题，仅仅从信息、物流、渠道上入手，还是无法满足市场的需求。正是意识到这一点，美国社会从大财团到社会基金对生命科学领域的投入非常大。国内一些有远见的资本和机构也在生命科学和大健康领域提前布局。

“登高而招，臂非加长也，而见者远;顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰”。“时来天地皆同力，运去英雄不自由” 在这个时代想要取得成功，“顺势而为”的重要性甚至远远超过“努力+天赋”，不论如何发奋图强，方向错了，即使小成，也无法完成创举。《黑天鹅》里面有个故事，火鸡出生后的1000天，每一天都得到人类的喂食，因此它相信友善的人类会永远喂食它。直到感恩节之前的星期三下午，发生了一件意想不到的事情，给它喂食的那只手拧断了它的脖子。未来的商业竞争中，审时度势将成为最重要的本领。“登高而招，臂非加长也，而见者远;顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰”，“时来天地皆同力，运去英雄不自由”。不经意间，碳元素开始代替硅元素主导整个时代，生命科学的遥远未来已经呼啸而至。在这个碳时代，把握碳元素的刚柔并济，顺应生命和生命体系的灵动,　是每一个时代弄潮儿都需要思考的重要问题。

作者简介：

郭磊博士，百替生物创始人。

曾两度共八年在哈佛大学留学、工作，历任访问学者、博士后研究员、讲师。31岁即被破格评为浙江大学当时最年轻的教授、博导。曾承担多项国家级研究课题，包括国家973、自然科学基金、企业创新项目等。

2010年底，创建了首家医学科研咨询和技术服务公司——百替生物(100BIOTECH),提出“引领医学科研，提升国人健康”的企业愿景。郭磊博士总结了“医学科研创新的六脉神剑”，是“科研5.0”的提出者和践行者，“科研5.0”概念已被国内多个著名高校的教授、讲师引入研究生课堂。