生命科学正在成为一门信息科学.doc

生命科学正在成为一门信息科学电子科大为什么要大力发展生命科学 生命学院生物技术系主任 黄 健电子科技大学生命科学与技术学院成立至今，已经整整八年了。在学校领导一如既往的关心与支持下，生命学院师生经过了不懈怠、不折腾放松的八年努力，在队伍建设、科学研究、人才培养等各方面都取得了较大的发展。但是，我们仍然经常遇到这样的问题：电子科大开办生命科学的内涵是什么？建院之初，这个问题既来自校内，也来自校外；既来自同学，也来自老师。随着生命学院老师学术水平与影响的提升及对外交流的日益增加，我们已经逐渐地得到了国内外生命科学同行的认可。但生命科学要在电子科技大学得到深入的发展，还需要得到学校师生更深层次的认识。在这里，我们结合最近学习汪校长在全校中层干部大会的发言，谈一下对电子科大为什么要大力发展生命科学的看法。汪校长在关于内涵式发展的阐述中，明确指出“我们要面向国家重大战略需求和科学技术发展趋势来对我校整体学科布局进行战略规划”。因此，本文主要从国家重大战略需求和科学技术发展趋势来论述电子科大发展生命科学与技术的必要性与迫切性。一、发展生命科学与技术是国家的重大战略需求1生命科学与技术在整个科学技术领域中的重要性逐渐凸显进入21世纪，人类社会发展所面临的健康、食物、能源、环境等诸多重大问题愈发显著。现代生命科学与技术研究为应对这些重大挑战提供了科学可行的解决思路与方案。在所有基础研究领域中，生命科学相关研究已经占据了主导地位。以美国科学院院士的学科分布为例，约有一半的院士从事生命科学相关研究。从Science杂志每年发布的十大科学进展来看，来自生命科学领域的进展几乎每年都要占一半左右。以2008年度科学引文索引（SCI）期刊的影响因子为例，在影响因子排名前20位的期刊中，16种为生命科学期刊，2种为综合性期刊（即Nature和Science），剩下2种分别归属物理学与天文学。出于对生命科学与技术重要性的清醒认识，世界各国纷纷制订了相关战略规划，发布专项政策，成立专门机构，加速培养和吸引人才，大幅度增加资金投入。在我国，无论是中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，还是国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年），都将大力发展生命科学与技术作为国家的重大战略需求对待。在发达国家，除国防开支以外的政府科技预算中，约有50的经费投入了生命科学。在我国，生命科学与技术相关研究也一直是863、973、国家自然科学基金的重点资助领域；其中，50左右的自然科学基金经费资助生命科学领域研究。2. 生物产业正在成为信息产业之后世界经济中又一个主导产业当前，生物技术（Biotechnology, BT）正在进入大规模产业化阶段，生物医药、生物农业、生物制造日趋成熟，生物能源、生物环保、生物服务勃然兴起。为此，国家发改委专门制订了生物产业发展“十一五”规划。以生物医药为例，世界500强企业纷纷加入生物技术制药领域，或者高价收购生物技术公司，或者自己建立生物技术制药部门。礼来公司（Eli Lilly）的CEO直言，礼来公司发展的方向就是要从传统的化学制药公司转变为生物技术制药公司。以安进(Amgen)、基因泰克(Genentech)为代表的生物技术公司蓬勃发展。2008年，安进公司的单品种生物技术药物依那西普（Etanercept,肿瘤坏死因子受体-抗体Fc段融合蛋白）的销售收入已经接近80亿美元；基因泰克的贝伐单抗（Bevacizumab，抗血管内皮细胞生长因子单克隆抗体) 销售收入已接近40亿美元。由于有超过450个使用贝伐单抗、针对30种癌症的临床试验仍在进行之中，医药信息巨头艾美仕（IMS Health）公司预测，未来几年里贝伐单抗的年销售额将突破1000亿美元，并可望成为有史以来最畅销的药物。难怪，比尔盖茨先生会说：引领21世纪进程的两项技术是生物技术和信息技术；下一位世界首富可能诞生在生物技术产业中。3. 信息产业巨头纷纷进军生命科学研究与生物产业市场开发对于微软、Google、IBM，我校师生应该都很熟悉了，它们常被看成是信息科学与信息产业发展的风向标。但你是否知道，这些信息产业巨头都在向生命科学研究与生物产业进军。微软除了通过比尔及梅琳达盖茨基金会大规模资助生命科学与技术研究项目外，自身也于2006年正式成立了医疗事业部并收购了号称医院Google的医疗病历软件Azyxxi，涉足医疗信息市场。2007年，微软先后收购了美国的在线医疗公司MedStory和泰国的GCS公司及其软件Hospital2000。同年10月，微软推出了针对患者的Health Vault网络平台，实现个人健康信息的记录、储存、维护、交换和搜索。针对医疗机构，微软推出了Amalga医疗信息管理系统。2009年，微软进军中国医疗信息市场，在青岛大学医学院附属医院部署了Amalga系统。目前，微软在中国从事医疗产品开发的团队有近百人。在生物信息学领域，微软不仅推出了基于微软.NET的生物信息学扩展工具箱MBF(Microsoft Biology Foundation)，也有研究人员从事生物信息学研究。笔者在阅读文献时，也多次看到来自微软研究院总部的基于人工智能技术预测MHC结合肽的研究。作为微软最大的竞争对手，Google与生物技术也很有缘份。Google与生物技术明星企业基因泰克，总部都位于旧金山湾区，而基因泰克的CEO也是Google的董事会成员。虽然分属IT与BT行业，但两家公司却具有极为相似的企业文化，也常常被科学、财富等杂志同时评为最佳雇主、最具创新精神公司。最为有趣的是Google的老板娘本身就毕业于耶鲁大学生物学专业。针对微软的Health Vault，谷歌于去年5月19日，正式发布了公众测试版Google Health,提供从分类健康信息到个性化的健康指导的各种服务，包括电子病历导入、检查结果、治疗方法、免疫记录、适应症、药物过敏、药物相互作用等。谷歌技术副总裁说：Google Health目前还在了解人们需求，并积累经验，这会是个漫长的过程，但无论为之花费多少钱，对于Google来说都是值得的。今年4月，Google又拿出1亿美元成立风险投资基金，准备投向生物技术与健康产业。相比微软与Google来说，信息产业的老前辈IBM在生命科学领域的投入是最早的，也是最大的；同时，已经获得的收益与造成的影响也是最大的。2000年8月，IBM公司设立生命科学分部, 该部门在公司中与无线通讯、电子商务处于同等地位。IBM生命科学部成立之初仅有两名员工和一亿美元的启动资金。至今，IBM已在生命科学领域投入了数十亿美元，生命科学相关员工已达数百人。IBM在生命科学领域开展了基因地理工程、生物神经元计算等一系列很有影响的项目研究。就在上个月，IBM公司宣称，他们在研制可模拟人类大脑功能的计算机方面取得了关键进展。其一，就是和美国劳伦斯伯克力国家实验室的科学家们一起实现了“大型脑皮层模拟器”；其二，就是与斯坦福大学共同合作实现了新的感知算法。这些进展使得新型智能计算机可以模拟人类大脑的感觉、感知、意识和交流等多项功能。IBM此次研发的“大型脑皮层模拟器”综合了包括生物学技术、通信技术、存储技术在内的多项创新技术。下一步，他们将致力于研制一个可以模拟大脑功能的智能芯片原型。作为信息科学与信息产业的风向标，这些的公司为什么会投身到生命科学的研究与生物产业的拓展中来？我想，原因除了市场利益、国家重大战略需求等之外，或许还在于他们已经看到，生命科学正在成为一门信息科学。二、生命科学正在成为一门信息科学生命科学的信息化是21世纪生命科学最重要的特点与发展趋势。不少有着重大影响的研究者、研究机构和公司更直接地将这一趋势表述为：生命科学正在成为一门信息科学。1生命的本质就是信息的传递我博士后阶段的导师京都大学生物信息学中心主任金久實教授写过一本颇有影响的小书后基因组信息学。在这本书中，金久先生把生命本质描述为信息的传递：通过复制实现信息从亲代到子代的纵向传递，通过表达（转录、翻译）实现信息从DNA到蛋白质的横向传递。事实上，生命科学研究的结果最终都可以归结为序列、结构、网络或图像（脑电、心电、核磁共振）等数据，任何信息学方法都可用于生命科学研究。序列、网络，信息科学研究者耳熟能详，生命科学已经打上了信息科学的烙印；神经网络、遗传算法、免疫算法，信息科学已有生命的原理。1991年，因发明DNA测序方法而获得诺贝尔奖的Walter Gilbert教授在Nature上大声疾呼：生命科学研究的范式正在改变，生物学家必须成为计算机学者。世纪之交，DNA自动测序仪的发明者、系统生物学的提出者Leroy Hood教授在一次会议上进一步指出：生物学在21世纪将愈发成为一门信息科学。不仅学者这样看待生命科学与信息科学，一些重要的政府研究机构与公司也有类似观点。美国国家生物技术信息中心（National Center for Biotechnology Information, NCBI）是美国国会于1988年批准成立的一个美国政府资助的研究机构，目前编制超过600人。NCBI在其关于生物信息学的资料页(Fact sheet)中，突出显示了这样一句介绍：Biology in the 21st century is being transformed from a purely lab-based science to an information science as well. IBM公司计算生物学部门的主任Ajay Royyuru博士在基因地理工程项目中直接了当地说：生命科学已经成为一种信息科学。2国内外理工科名校纷纷加强生命科学研究生命科学正在成为一门信息科学，看到这一重大的科学技术发展趋势，国内外很多以理工闻名的大学纷纷加强了生命科学研究的力量与投入。清华大学一直是国内工科大学的风向标。我们先来看看清华大学的做法。在1952年到1984年的32年里，生命科学在清华大学长期处于空白状态。1984年6月，清华重建生物系。2001年建立医学院，随后先后与解放军总医院（301医院）、信息产业部401和402医院等共建教学医院与附属医院。2004年，为加强和促进生命科学与医学的发展及其与其它工程学科间的交叉合作，“清华大学生命科学与医学研究院”成立，主要职能是将分散于全校各院系的有关生命科学、医学及相关的工程学科统一组织和协调起来，建立若干研究所（或研究平台），以利于大跨度的学科交叉和取得重大科技成果。今年9月，清华大学成立生命科学学院，顾秉林校长为“清华大学生命科学学院”揭牌并明确指出：这是清华大学建设世界一流大学的重要举措，在学校整体学科布局中具有重要战略意义。最近，清华大学生命学院的隋森芳教授、医学院的程京教授分别荣膺中国科学院院士和中国工程院院士。在清华，无论是建立医学院还是生命学院，都是集全校之力，反映了全校的意志与一种对全校未来的寄托，值得我们深思。作为电子科大人，让电子科大变成中国的MIT一直是我们的梦想。这里我就接着谈一谈麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的生命科学研究。在麻省理工学院生物系69名教职中，有4位诺贝尔奖获得者，29位美国科学院院士，研究领域包括脑与认知科学、神经生物学、免疫学、肿瘤学、计算与系统生物学、分子生物学、生物化学、微生物学、分子遗传学、植物分子生物学等众多领域。麻省理工学院院长苏珊霍克菲尔德女士今年在美国科学促进会（AAAS）举行的科学与技术政策论坛上指出：在分子生物学、基因组学等两次生命科学革命之后，生命科学、物理学、工程学等多学科融合即将为人类带来第三次生命科学革命。苏珊以MIT目前正在从事的癌症医学、电池能源和环境保护等三项研究为例阐述了她的观点。这里，我们只简单介绍一下看似风马牛不相及的电池能源研究。MIT研究人员开发出了把病毒用于制造锂电池阳极和阴极的技术，从而可在室温下制造新型锂电池而不会排放有毒物质。在电能容量与普通锂电池相当的情况下，具有更佳的充、放电性能，适合用作混合动力汽车电池。好一个生命科学帮助能源工程的鲜活实例！为了进一步推动第三次生命科学革命，苏珊介绍了MIT的经验：（1）必须鼓励年轻人投身于生命科学和工程学融合的事业，为他们提供包括生物和工程、计算机和数学等跨学科教育；（2）建立既懂工程语言又懂生命科学语言的新学术机构;(3) 经费发放偏重跨学科研究工作。显而易见，电子科大要做中国的MIT，同样需要全校师生来深刻认识生命的意义。三、发展生命科学就是发展信息科技的未来汪校长在报告中深刻地指出：“特色性是我们的办学类型的定位”，“但是需要说明的是，特色性并不意味着只是单一学科，因此我们要坚持以电子信息技术为核心，在现有学科基础上，大力发展新兴交叉学科，拓展新的学科方向，从而不断强化特色学科的优势地位”，由此可见，在生命科学开始信息化的今天，大力发展生命科学，既是“国家重大战略需求和科学技术发展趋势”，也是我校得以“不断强化特色学科的优势地位”的必由之路。电子科技大学多年来一直在努力推动从电子行业到行业电子的转变，生命科学与技术是国家的重大战略需求，生物产业正在成为信息产业之后世界经济的又一个主导产业，生命科学正在成为一门信息科学，也必将是最大的行业电子领域，应该说，电子科技大学没有不进入这个领域的本钱。汪校长在中层干部大会上指出：“大气是要有崇尚科学追求真理的气质，要有奋发进取天下为先的气魄，要有海纳百川和谐包容的气度，胸