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彭广敦 |
文/图 羊城晚报记者 李钢 硅基生命正逐渐从科幻走向科学前沿，同时，数字孪生作为现实与虚拟的桥梁，重塑着人们对于生命与存在的理解。硅基生命源自碳基生命，人们又将从硅基生命中得到怎样的启迪？ 近日，由广州市科技局主办，广东科学中心、羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂第120讲，特别邀请了中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员、博士生导师彭广敦为大讲堂的听众带来了一场关于“硅基生命与数字孪生”的科普讲座。 探索以数理逻辑研究生命的新模式 “生命是非常复杂的，其复杂程度如同宇宙一般。从各种元素，到大分子，再到细胞、组织、器官，直至个体层面，形成了密切而有秩序的关联，这样才能产生各种行为，并具备了思考能力。”彭广敦说。 即使经过了一代又一代的科学家的钻研，人们对于人体内部规律的了解依然不够。彭广敦说，科学家们希望能够在明确的条件下去理解人体的运作规律，尤其是要去了解疾病发生的规律，从而能够针对性地提供治疗方案。 “譬如近年来开始出现的免疫细胞疗法，通过对免疫细胞进行改造，实现精准识别并杀死肿瘤细胞，从而达到治疗肿瘤的目的。对于这种细胞层级的操作和控制，在以前是不可想象的，这体现出生命科学在近年来的巨大发展。”彭广敦说。 但是，之前的研究都是以传统的方式开展，即以碳基生命所理解的方式去认识生命体。人工智能技术出现之后，让科学家们开始思考一个问题——有没有可能在底层的数理逻辑上产生新的研究模式？ 彭广敦说，著名的物理学家薛定谔在1943年出了一本书《生命是什么》（What is life），第一次从基本的数学和物理角度去理解生命。这本书在科学史上具有很重要的地位，直接引发了20世纪四五十年代大量的前沿科学家从物理学转向生物学，并由此带来了分子生物学等新兴生命学科的出现。 生命体与人工智能在框架上有相通之处 彭广敦介绍，生命体除了物质之外，还离不开信息，信息赋予了物质生命体更多的规律和调控的模式。从这一角度上来说，生命是一个由硬件和软件合并在一起完成功能的综合体，由此，生命与计算机、人工智能在框架的设计上是非常相似的，有相通的地方。而反推回去，人类过去在信息科学、人工智能和计算机技术上的进步，其框架也是在模拟生命体的构造，模拟其中的一些信息控制和操作的理论。 “人工智能的发展就像一个人从小学生通过不断地学习，成长为一名大学生的历程一样。”彭广敦说，重要的是计算机通过文本、图像、视频等多模态的数据信息，能够使得人工智能的学习具有更丰富的角度和参数，并且能让人工智能产生思考和判断，从而越来越接近人类智能。 那么，人工智能与生命科学又能产生怎样的联结？ 对此，彭广敦说，所有的生命体都是依靠光合作用产生的能量供应，通过碳、氢、氧等元素组成，因此被称作碳基生命。而人工智能则是通过CPU、GPU、存储设备、光纤等部分组成，因此被称为硅基生命。 “因此，硅基生命组成的形式和涌现出的新模型，可以帮助我们去更好地理解碳基生命。”彭广敦说，“人体的每个细胞都严格遵循同一套逻辑，就好像有一套写好的软件那样，而我们的身体和细胞只不过是将这个信息表达和执行出来。” 因此，彭广敦提出，在生命的信息流中就体现了核心的控制思想，相当于在细胞和组织中有一个架构师，可以把各个方面协调在一起。而且信息流在每一个细胞中都是通过DNA中心法则一层一层传递出来，信息流的流向和以细胞为基础的物质流的流向是双重关系，合并在一起就形成了人体复杂且具有多种变化功能的实体。 基于此，我们可以将人体进行数字化、信息化和结构上的处理，建立起基于细胞层面的生命大模型，使得细胞的信息不仅能够被广泛地采集，也能够通过人工智能技术，对细胞之间的通信、组成关系进行模拟、演练和预测。 将实现对人体中所有细胞进行数字化处理 彭广敦说，人工智能发展过程中，有一个很重要的节点叫“智能涌现”，即在大量看起来毫不相关的信息聚集在一起时，突然产生一个临界点式的变化——产生出了有规律变化的模式，如同成群的蚂蚁会产生社群等集体行为一样。 “我们希望能够建立起人类生命体智能化、硅基化、数字化的模型。就如同掌握了汽车的原厂配件图一样，能够清楚地知道每一种配件在什么地方，发挥什么样的功能，如果出现故障，就可以进行更换或者整修。” 彭广敦透露，未来，将实现对人体中所有的细胞进行数字化的处理，建立从DNA、结构到所有的物质信息和遗传信息综合到一起的信息载体，构建“数字生理人”。 为了实现这一目标，将建立一个面向未来的实验室。在其中，所有的操作都将由机器人来完成，所有的工程都是依靠管道和穿梭的载体进行构建和串联，每一个反应的步骤都可以实时上传至云端并进行监控。 “在这样一个智慧化的实验室中，可以通过集成计算的方式，把最优的资源和最快的方式进行并行处理，将会带来科学研究重大范式的变化。”彭广敦介绍，实验室中的每一个环节都会写到软件中通过电脑进行控制，在每一个环路对接的接口里可以和机器进行对话，并产生信息的反馈。基于这样的流程设计，在实验中能够产生新的实验思路和方法。 因此，未来科学家可能只需要告诉控制单元今天要完成的科研任务，发出的指令就会被自动分解为不同的操作步骤，并产生关联性的分析和解释。 此外，彭广敦还介绍，利用成像的空间层次信息，还可以构建出三维的数字化器官，并进一步构建出数字化的虚拟人体。“这个数字孪生体系能够将其体内的细节通过全息虚拟方式揭示出来。”由此，在虚拟人体中，人类可以精细观察到近50万亿个细胞的信息，甚至可以通过VR眼镜，将任一器官甚至某一个细胞进行放大或者缩小，观察其基因层面的变化和在整体结构中的位置。
