施一公：生命科学认知的极限

今天，我想跟大家探讨一下生命的本质和生命的极限。

我们先看看人从哪而来？人的整个出生过程是这样的：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，所以一有精子进来，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，还没有着床。继续分裂下去，形成64个细胞、128个细胞，这时它快要找到着床地点了。着床之后，继续发育。

你们可能知道也可能不知道，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，通过细胞凋亡，开始形成手指头。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。然而不要忘了，这样一个鲜活的生命来自于一个受精卵。

生命开始之后，生命的历程很漫长，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，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。

科学如何应对生命挑战

我们生命的历程饱受挑战，有很多来自于疾病，其中三类疾病和人类有很大关系。

其中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32%。第二种疾病也很可怕，就是癌症，我们身边的人常常被癌症夺去生命，中国每年有265万人死于癌症，占28%。第三类疾病死亡率不高，但是对人的困扰很大，严重影响生活质量，就是神经退行性疾病，有多位世界名人都曾受这类疾病的折磨。此外还有34%的人死于其他原因，其中大部分是传染病，一小部分是交通事故和意外伤害。

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。

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。我有三个例子在此分享。

第一个例子就是心血管疾病。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，（也是在座的王晓东的博士后导师），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，包括1987年问世的第一个心血管疾病的药物。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，在座的就应该有人服用过这种药。在它于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，而发现这个过程的着名科学家海伦，是一位女性，获得了2015年的生命科学的突破奖。

第二个例子我们讲讲治疗癌症的新的曙光，也就是大家听过很多次的“免疫疗法”。这个免疫疗法最有名的一个例子，是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。对这一过程也做出了重大贡献的科学家中，还包括一位中国人，就是陈列平博士。

第三个例子是神经退行性疾病。非常遗憾，至今人类根本不知道病因，尽管我可以告诉大家很多的理论、数据和实践，但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。

我自己的实验室也在朝这个方向努力。我们去年在原子分辨率上首次报道了与老年痴呆有直接关系的人源γ分泌酶的结构，这个人源γ分泌酶被认为是导致老年痴呆症必不可少的一个致病蛋白，所以也许通过后续的深化研究，我们可以找到治疗老年痴呆症的办法。

认知生命有极限

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。

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，不一定是学习记忆的本质。为什么？因为我们确实是这样一个生物人，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，所以在这方面也不能叫客观。

我们人究竟是什么呢？仔细想一想，人是怎么样处理信息的呢？我们先来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，天安门、故宫都是物质。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，从直觉上认为它存在，比如说原子、分子、蛋白，比如说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。

但尽管如此，我们还是要想一想，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。我毫不怀疑我就是一个薛定谔方程、一个生命形式、一个能量形式，但不知道怎么解这个方程，不知道思维是怎么产生的，仅此而已。我相信，你也应该相信，我们每个人不仅是一堆原子，而是一堆粒子构成的。

所以，我们真的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，这超越了我们能说出和能感知的层面。我认为要解释意识，一定得超出前两个层次，到量子力学层面去考察。我自己认为是这样的。

量子纠缠是可以进化的现象吗？

所以我想班门弄斧讲一讲量子纠缠。1935年，当爱因斯坦（Einstein）和波多尔斯基（Podolsky）以及罗森（Rosen）一起，写出了着名的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，我相信它会无处不在，包括存在于我们的人体里。是不是这样呢？当然是这样。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）着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，你们觉不觉得，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。

我要问你们四个问题。第一个问题，你们相信有第六感官吗？很多人会说不相信。第二个问题，有没有可能，两个人会以未知的方式进行交流？你会说也许，不会像第一个问题那样肯定地说不信。第三个问题，量子纠缠是否存在于人类的认知世界里面？存在于大脑里？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于地球上的物质呢？你一定会说一定适用，因为我们已经证明了。但其实简单讲，这四个问题是完全一样的问题，倒推回去就说明一定有第六感官，只是我们无法感受，所以叫“第六感官”。

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。

其实我不知道这里面是什么，但是我相信它。我每呼吸一次会摄入10^22次方的氧原子进入我的身体，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，都是看得见摸得着的，我们现在也是如此。只是我们不知道摸的是象的后背，还是尾巴，还是耳朵。我认为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，但我们希望隔着两个世界去看超微观世界。那是一个最美好的、极其美妙的世界。谢谢大家！

来源：《赛先生》录音整理   作者：施一公