汤超 程巍 | “炒股”，细菌比你玩得溜

本期主播

汤超

物理学家，北京大学教授，前沿交叉学科研究院执行院长，北京大学定量生物学中心主任

程巍William

高山大学2019级学员，达尔文细胞集团董事长，火箭派航天创始人

* 以下根据高山大学和荔枝播客联合制作播出的播客栏目《 科学相对论 》节选整理而成。 更多详细内容，请订阅荔枝播客，搜索播客高山大学“科学相对论”收听。

※音频剪辑丨荔枝&李嘉

※整理丨李嘉

生物学为什么需要定量？

William：

非常荣幸，我们把中科院院士、北京大学定量生物学中心的汤超老师请到了 今天的节 目中来。

我觉得我和汤超老师颇有渊源。我是理科出身，我自己有一家生命科学公司，我再去学习生物的时候，那些一个个生物新名词和实验，好像呈点状一样连不起来。我想会不会有一种模式/模型真的能把生物学串起来，就像E=mc2一样，简简单单能够进行预测。

基于这种想法，我查资料时找到了定量生物学。基本上都是您的文章，所以我当时对您的印象非常深刻。

汤超：

大家好，我是汤超。

我原来研究物理，想找一些新问题，就开始接触到生物，发现生物其实特别美，大自然经过几十亿年的进化，确实是最伟大的发明者，非常有意思。有些东西虽然现在还串不起来，但它确实是一种自然现象。所以我觉得可能可以用一些物理的方法、物理的思维来研究生物问题。

其实我肯定不是第一个这么想的，在生物领域找到规律，把生物做得更定量、更普世，这一直是科学家努力的方向。物理学家相信，只有定量才能真正理解它，不仅理解，而且还可以预测，否则只是说故事。

举例来说，没有牛顿力学的时候，我们并不知道速度多快才能够脱离地球引力。有许多先人多次尝试飞天但都失败了，但牛顿力学以后就非常清楚了，所以定量跟不定量是一个很大的差别。

生物其实也是一样，生物为什么定量这么晚，为什么到现在大家才慢慢开始意识到生物定量的重要性？

因为生物是大自然中最复杂的现象，如同行星运动、地震、火山爆发、银河系的形成等等。生命也是自然现象，只不过是比较特殊的自然现象。

生命就应该可以用科学来解释。现在几乎所有的科学都有它的数学语言，都能够定量，没有理由说生命就不能用定量的语言来描述。

会“炒股”的细菌

William：

我想大部分人对于定量生物学还是比较陌生的，您能不能举一两个实际的例子？

汤超：

好。细胞是非常聪明的独立的个体，它会面临很多决策，它的“脑子”并不是神经元造成的，因为一些蛋白基因相互作用，形成了它的决策机制，而且事实上符合我们人类的很多决策理论、控制论。

举个例子，股票一会涨一会跌，我什么时候买？细菌也会有这样的问题，环境在变化，分裂还是不分裂？

作为一个细菌，我进行分裂就要投入很多资源比如DNA，万一环境变得不好了怎么办？但我也不能一直等到环境非常好了再分裂，不然那些更聪明更早分裂的细菌就会把我淘汰。

所以通过很多年的进化，细菌就像人们整合分析长短线趋势玩股票一样，也摸索出了一套方法，来判断分裂还是不分裂。

因为不知道环境会怎么变化，比如突然来了一种抗生素/毒素 （会杀死正在分裂的细菌） ，碰到这种情况怎么办？细菌还有一种“轮流值班”的机制。

如果有1000个细菌，999个都拼命分裂，留有1个不分裂，只要不分裂，抗生素就杀不死。

而且并不是同一个细菌总睡觉不分裂，这是个随机的现象，大家轮流来。每个细菌都有千分之一的概率会睡觉，接着再醒过来，继续加入分裂的行列，此时再由别的细菌睡觉。

这种概率怎么进化出来的呢？其实是与碰上恶劣环境的概率有关，概率越小，睡觉的细菌越少，概率越大，睡觉的细菌也会越多。

William：

这就是大自然很神奇的地方，我们说自私的基因，那么，在我们看来这些没有脑子的、低等的生物，为什么会有这种群体性行为？

汤超：

这是一种最基本的利他行为，非常有意思。还是因为种群，没有利他行为的种群会灭亡，有利他行为的种群就会存在下去，所以还是自然选择的结果。

生物学距离定量有多远？

William：

在无法用定量和公式描述之前，生物学算科学吗？

汤超：

当然算科学，因为它有一套很严谨的科学方法，只不过还不是定量的科学。

科学发展到现在其实是有历史原因的，我们所看见的只是我们眼睛能看见的。以前只能观测到一些宏观的自然现象，发现了牛顿力学；然后科学革命，观察电、磁，有了电磁学，再后来有了热力学、量子力学等。

可以说生命是我们最后的堡垒，或者说因为我们没有工具去做更精确的观测，我们看不见。

100年前，我们用显微镜第一次看到细胞，但还不知道细胞里面的东西。现在有分子生物学，破译生命遗传密码，有了基因组学，秘密都在那本书里面，不过我们不懂，我们没有解码器。现在也只是很简单的解码。

如果把人比喻成一辆汽车，我不知道这辆汽车是怎么装起来的，为什么跑这么快。到现在来看，人好像只能活120岁，有没有可能突破极限？怎么突破极限？本质上，我们都不知道。

William：

生命科学离真正定量化，还有多远？

汤超：

就看定量化到什么地步了。如果像牛顿力学那样，把经典力学、天文学用一套数学语言统一起来，引起巨大科学革命的话，可能还有一段时间，可能100年，也许早一点。

但在不同的阶段，生物学都在往前进步。

牛顿力学也不是一步到位的，从托勒密的地心说、哥白尼的日心说，到开普勒用简单的定量规律把这些运动统一起来。一直到牛顿，才有整个宇宙的大统一，并且把开普勒三定律背后的原因找到了。

跟当时类比的话，现在的生物学可能处在开普勒或者是开普勒稍微前面，但是到牛顿不远，现在科学进步比以前要快得多了，一日千里。

召唤生命专属的数学语言

William：

科学的发展有时候需要有一个明确的方向带动基础理论、实际应用的快速发展。 比如： 人们对天文学的好奇客观地促进了牛顿力学的发展，另一方面，二战期间的原子弹实际上客观地促进了量子力学和核物理的发展。

那么，定量生物学是不是也存在一个什么样的方向，这样就更容易突破？

汤超：

这个问题挺有意思，这就是现在要做大科学还是小科学的争论。

大科学就是组织起来的攻关，比如两弹一星，目的非常明确，组织大家就围绕这一个目标做。这对于解决很多工程问题、实际问题非常有帮助，但是科学的进步基本上都是源自散兵游勇对大自然的好奇和探索，不知道哪个地方就突破了。

William：

那么，定量生物学中心具体做什么方向的突破？

汤超：

我们做得比较散。大家可以选感兴趣的问题，不管是研究癌症、发育、细菌，还是大家互相协作，都没问题。我们共同的兴趣是在生命现象里面找到一些定量的规律，用一些数学语言来描述它，用模型解释它。

William：

对于定量生物学来讲，哪些困难是我们现在觉得很难去跨越的？

汤超：

我觉得主要是两个：

一个是工具，也就是技术。很多科学突破都跟技术的进步有关。为什么我们最早突破在天文学？因为我们的观测技术在进步，望远镜、浑天仪越做越好。

生物很复杂，而且它确实很微观，虽然生物学在进步，但是跟物理学比起来还有一定的差距。

还有一个就是观念。生物学发展到现在有一套定式，这些定式也是原来那些技术给带来的，然后再去突破既有的定式。比如需要学科交叉，需要培养有跨学科的思维，需要不同学科的人合作，打破各种各样的壁垒。

举个例子，你可能会问我定量生物学是怎么定量，用的数学语言是什么？现在我们用的数学语言还是原来牛顿研究天文学的时候发明的微积分，也就是说，本质上我们还是没找到研究生命现象专属的数学语言。最近几十年有很多进步，提供了一些数学工具和概念，但是还远远不够。

希望有一些数学家忘记现在的数学来研究生命现象，看看能不能有一套新的数学语言出来。

William：

其实您说的，我可以理解为人才。兼具生物学基础和理科基础训练出来的人好像还很少？

汤超：

确实，全世界都少。现在已经有一流大学做了一些交叉项目，北大也在研究生、本科生阶段做了一些交叉项目，研究生我们有定量生物学中心，本科叫整合科学实验班，元培学院要培养学生既有生物学思维，又有数理化思维，不能把思维限制在某个学科，要以问题为导向，我们希望培养这样的人才。

William：

我们的教育其实还没有更改，分不同的学科。可能学理科的人不知道学文科的人到底在干什么，学生物的人也不知道学数学是在干什么。

汤超：

对，教育确实是一个非常有意思的问题，中学教育、大学教育不只是分成理科、文科，理科也分得很细，这其实不是特别科学的方式，我还是比较主张通识教育。

教育培养什么样的人，什么样正确的思维方式，思维方式包括科学思维方式、文理思辨、逻辑推理，哲学想法、演讲能力、写作能力等各方面，都应该全面的培养。

William：

其实古人就是这样，诗书礼乐易春秋六艺、骑射，他们都是全面发展的，包括古希腊的哲人也一样。现在通识好像反而变成了奢侈品。人才上的匮乏可能是对于交叉学科领域发展比较大的障碍。

汤超：

所以还是要思想解放。文艺复兴也是思想解放，文艺复兴之后科学革命，是整个人类的思想解放。

William：

任何时候我觉得都需要一次思想解放，永远有进步的空间。