世界生命科學(xué)格局中的中國
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中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 生命科學(xué)是研究生命本質(zhì)及運(yùn)行規(guī)律的自然科學(xué)，且與人類健康息息相關(guān)。本文試圖從宏觀層面，概略生命科學(xué)發(fā)展歷程，歸納當(dāng)代生命科學(xué)發(fā)展特征和前沿?zé)狳c(diǎn)方向，分析中國在世界生命科學(xué)格局中的地位，舉例介紹近10年來的代表性成果，討論未來發(fā)展中需要關(guān)注和解決的問題。
生命科學(xué)百年發(fā)展趨勢(shì)概略：3個(gè)“50年”
生命科學(xué)近150多年發(fā)展史中大約每半個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)1次地標(biāo)性突破（圖1），并形成3個(gè)發(fā)展階段。19世紀(jì)中葉，孟德爾通過種植豌豆實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)基本規(guī)律并提出遺傳因子假說（1865年），50多年后，摩爾根通過果蠅研究將遺傳因子定位在染色體（1910年），他們共同奠基了經(jīng)典遺傳學(xué)，為第1個(gè)階段。20世紀(jì)中葉，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（1953年），開啟了分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)時(shí)代，為第2個(gè)階段。此間，發(fā)現(xiàn)了生命遺傳學(xué)密碼和DNA-RNA-蛋白質(zhì)生命科學(xué)中心法則，并催生了惠及人類的基因生物技術(shù)。20世紀(jì)和21世紀(jì)之交，隨著“人類基因組計(jì)劃”的實(shí)施和完成，生命科學(xué)進(jìn)入組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代，開啟了第3個(gè)階段。大量復(fù)雜的生命過程和疾病機(jī)制被闡明，基因組測(cè)序、合成與編輯，以及與人工智能的結(jié)合，正在譜寫基因組的“讀-編-寫”新篇章，科學(xué)家開始書寫合成生命體、精準(zhǔn)調(diào)控生命過程。
上述3個(gè)階段也是環(huán)環(huán)相扣的3輪生命科學(xué)革命，其標(biāo)志是生命科學(xué)研究范式發(fā)生深刻變化，從生物表觀性狀及遺傳的觀察描述到生命過程的分子生物學(xué)表征與關(guān)聯(lián)，再到以組學(xué)為特征的系統(tǒng)生物學(xué)運(yùn)用，廣泛影響生命科學(xué)研究各領(lǐng)域，并引領(lǐng)醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)生物學(xué)等領(lǐng)域及其技術(shù)的全面進(jìn)步，極大地貢獻(xiàn)了人類健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。
當(dāng)代生命科學(xué)特征
在新科技革命驅(qū)動(dòng)下，生命科學(xué)呈現(xiàn)以下5個(gè)特征。
原始發(fā)現(xiàn)層出不窮，底層創(chuàng)新呈現(xiàn)井噴。分子細(xì)胞生物學(xué)已經(jīng)滲入生命科學(xué)的整個(gè)學(xué)科體系，成為生命科學(xué)各基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科的基礎(chǔ)和支柱，促進(jìn)層出不窮的原始性發(fā)現(xiàn)和底層創(chuàng)新。例如，強(qiáng)大的基因編輯技術(shù)源于微生物和古菌進(jìn)化出對(duì)付病毒（噬菌體）感染的適應(yīng)性免疫分子機(jī)制CRISPR的發(fā)現(xiàn)；改變分子生物學(xué)面貌的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)源于極端微生物細(xì)胞中耐熱DNA多聚酶的發(fā)現(xiàn)，免疫檢查點(diǎn)（CTLA-4和PD-1）的發(fā)現(xiàn)和細(xì)胞免疫學(xué)研究導(dǎo)致了如火如荼的腫瘤靶向免疫治療，正在顛覆傳統(tǒng)的癌癥治療模式；RNA干擾（RNAi）機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)了遺傳病基因沉默的治療路線；細(xì)胞凋亡（apoptosis）、細(xì)胞焦亡（pyroptosis）、細(xì)胞程序性壞死（necroptosis）、
細(xì)胞自噬（authophagy）、細(xì)胞鐵死亡（ferroptosis）、
細(xì)胞組分相變（transition）等現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，敘述著細(xì)胞在生理、病理過程中種種巧妙的自調(diào)節(jié)機(jī)制，并衍生出重大疾病治療的新策略。
系統(tǒng)論與還原論并重，層層揭秘復(fù)雜生命過程。分子生物學(xué)成功地注釋了大量功能基因，并將許多生命過程和疾病發(fā)生機(jī)制與相關(guān)功能基因及轉(zhuǎn)錄和表達(dá)產(chǎn)物聯(lián)系起來，若將此稱為“還原論”，以基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等構(gòu)成的生命組學(xué)，則是對(duì)復(fù)雜生命網(wǎng)絡(luò)體系的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。“自下而上”與“自上而下”的結(jié)合，極大地提升了生命科學(xué)中發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)，催生了一個(gè)又一個(gè)新的研究方向和前沿?zé)狳c(diǎn)。例如：整合基因組學(xué)、疾病分子生物學(xué)基礎(chǔ)和臨床數(shù)據(jù)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)及個(gè)體化治療目標(biāo)；人體微生物組及代謝組被發(fā)現(xiàn)與健康和許多疾病息息相關(guān)，“腸道微生物組及代謝組也為解釋中醫(yī)藥原理提供了一個(gè)新的視角”；通過基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組研究及基因功能注釋，發(fā)現(xiàn)僅有2%基因組編碼蛋白質(zhì)，其余98%功能未知部分被類比為基因組中的“暗物質(zhì)”。其中，大量非編碼RNA被發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)時(shí)空調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這“為生物學(xué)開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域，……在未來的后續(xù)研究中具有無限的潛力”。
學(xué)科匯聚融合，生命科學(xué)研究從定性描述開始實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)和定量解讀。生命系統(tǒng)的遺傳變異、代謝及調(diào)控的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化和生命物質(zhì)的柔性等決定了生命過程的復(fù)雜性，目前所積累的生命科學(xué)系統(tǒng)知識(shí)多是大量定性片段結(jié)果的集成。超分辨顯微成像、冷凍電鏡、流式質(zhì)譜、質(zhì)譜成像、磁共振成像、增強(qiáng)拉曼光譜、膜片鉗、光鑷、納米孔測(cè)序、納米與分子生物傳感、全微分析系統(tǒng)（mTAS）及器官芯片（organ-on-a-chip）、3D生物打印等各種物理和化學(xué)方法及技術(shù)平臺(tái)的創(chuàng)建和應(yīng)用，為生命科學(xué)研究提供了越來越強(qiáng)有力的工具，從而實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞、可視化、高通量、高時(shí)空分辨分析和操縱。已經(jīng)獲得高分辨腦圖譜、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞蛋白組、胚胎細(xì)胞譜系、活細(xì)胞中蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)測(cè)定、單粒子病毒在活細(xì)胞中的示蹤、芯片上多器官互作及類器官創(chuàng)建等。生命系統(tǒng)得以在微觀層面被精準(zhǔn)、定量、可視化表征，甚至被成功模擬。
科學(xué)數(shù)據(jù)共享，成為生命科學(xué)界普遍遵循的規(guī)則。以基因數(shù)據(jù)庫和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫為核心的各類生命科學(xué)數(shù)據(jù)庫在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中發(fā)揮巨大作用。數(shù)據(jù)庫建設(shè)者與科學(xué)共同體形成一個(gè)準(zhǔn)則：研究人員在使用數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，將自己研究發(fā)現(xiàn)的（基因序列或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，因而同時(shí)成為數(shù)據(jù)庫的使用者和貢獻(xiàn)者。如今，數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為生命史書最可靠的紀(jì)錄載體和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，為整個(gè)生命科學(xué)研究所依賴。例如，新冠肺炎疫情全球大流行至今，新冠病毒基因組序列數(shù)據(jù)已經(jīng)超過1000萬條。這些數(shù)據(jù)通過全球共享流感數(shù)據(jù)倡議組織（GISAID）、中國國家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心（CNCB）、美國國家生物技術(shù)信息中心（NCBI）和歐洲生物信息研究所（EBI）等共同實(shí)時(shí)發(fā)布，為新冠病毒病原生物學(xué)和分子流行病學(xué)研究、檢測(cè)技術(shù)建立、藥物和疫苗的研發(fā)提供依據(jù)，在全球科技抗疫中發(fā)揮了重大作用。
合成生物學(xué)與人工智能（AI）興起，為生命科學(xué)研究提供了新的范式。①合成生物學(xué)興起與21世紀(jì)同步，它匯聚生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)，并結(jié)合工程學(xué)理念和自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)生物體進(jìn)行再設(shè)計(jì)與合成。其“自下而上”的模式，從表征天然生物大分子，使之成為標(biāo)準(zhǔn)化“元件”，到創(chuàng)建“模塊”和“線路”等生物部件和細(xì)胞“底盤”，來構(gòu)建預(yù)期的人造生命系統(tǒng)，研究生命的底層規(guī)律。這一理念，將我們習(xí)以為常的“格物致知”研究策略，推進(jìn)到了“建物致知”的新高度。然而，鑒于生物體系的復(fù)雜性，目前生物體系的理性設(shè)計(jì)還依賴于高通量的“試錯(cuò)”實(shí)驗(yàn)，由此出現(xiàn)了“生物鑄造工廠”（Biofoundary），即生物設(shè)計(jì)與合成自動(dòng)化設(shè)施。也基于此，合成生物學(xué)的另一理念“造物致用”，正在催生未來生物技術(shù)。② AI基于大數(shù)據(jù)、算法和機(jī)器學(xué)習(xí)，應(yīng)用于生命科學(xué)中最典型的例子是對(duì)蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)。長期以來，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)進(jìn)展十分緩慢。對(duì)于一個(gè)未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，若沒有其同源蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，則需要通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定其結(jié)構(gòu)信息。谷歌公司DeepMind團(tuán)隊(duì)的AlphaFold在兩年一屆的“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵測(cè)試”（CASP）中脫穎而出之后，該團(tuán)隊(duì)于2021年在Nature上分享了AlphaFold2開源代碼。與此同時(shí)，美國華盛頓大學(xué)等團(tuán)隊(duì)也在Science上公布了新的深度學(xué)習(xí)工具RoseTTAFold。接著，AlphaFold2又對(duì)人類98.5%的蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高精度預(yù)測(cè)。進(jìn)而，DeepMind團(tuán)隊(duì)公布了AlphaFold蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，其使已知蛋白質(zhì)序列空間的結(jié)構(gòu)覆蓋范圍空前擴(kuò)大；該數(shù)據(jù)庫初始版本包含了21個(gè)模式生物蛋白質(zhì)組中超過36萬個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，很快將擴(kuò)展到涵蓋UniRef90數(shù)據(jù)集（已驗(yàn)證的蛋白質(zhì)序列）的大多數(shù)（超過1億個(gè)）代表性序列。這些進(jìn)展對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)是顛覆性的，體現(xiàn)在2個(gè)方面：蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)將指數(shù)性增長，從而為機(jī)器學(xué)習(xí)提供更好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，將使AI結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)目前還存在的質(zhì)量缺陷逐一被解決；由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能是分子細(xì)胞生物學(xué)的基本科學(xué)問題，相關(guān)進(jìn)展必將對(duì)生命科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
中國生命科學(xué)高影響力研究貢獻(xiàn)
2001—2021年高影響力論文情況分析
用科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)構(gòu)建可視化圖譜，可以宏觀地分析一個(gè)國家科學(xué)研究的貢獻(xiàn)和發(fā)展水平。對(duì)一個(gè)快速發(fā)展中的科技大國而言，用論文總數(shù)和篇均被引用數(shù)來評(píng)價(jià)都顯然偏頗，論文總引用數(shù)相對(duì)合理。然而，如今中國研究與試驗(yàn)發(fā)展（R&D）全時(shí)人員當(dāng)量已逾500萬人年，遠(yuǎn)超歐美各國，因此聚焦分析高影響力研究活動(dòng)更有意義。本文利用科睿唯安（Clarivate Analytics）公司的InCite科研評(píng)估分析平臺(tái)僅對(duì)被引用次數(shù)在同領(lǐng)域方向前1%的高被引論文（以下簡稱“前1%論文”）進(jìn)行分析。雖然可能會(huì)有少數(shù)例外（即其學(xué)術(shù)影響力并非真正高），而且科學(xué)論文不代表全部科技實(shí)力，但前1%論文總體上反映各方向上有較高學(xué)術(shù)影響力、出類拔萃的研究。圖2為全球生命科學(xué)前1%論文數(shù)量產(chǎn)出最多的前15個(gè)國家（以下簡稱“15強(qiáng)”）構(gòu)成的版圖，展現(xiàn)近20年來高影響力研究產(chǎn)出在主要科技大國中的分布和相對(duì)位次及變化。中國生命科學(xué)研究在底子極薄、“跟蹤發(fā)展”20年后，于21世紀(jì)第1個(gè)10年開始進(jìn)入視野，以后呈現(xiàn)持續(xù)、強(qiáng)勁的增長勢(shì)頭。在第1個(gè)10年、第2個(gè)10年和近3年中，中國學(xué)者發(fā)表的前1%論文在15強(qiáng)總數(shù)中的占比分別為：生物科學(xué)（biological sciences），3%、10.4%和13.9%；醫(yī)學(xué)（medical sciences），1.7%、7.1%和10.%；農(nóng)學(xué)（agriculture sciences），6.2%、19.9%和25.9%（圖3）。本分析中，部分二級(jí)學(xué)科在三大領(lǐng)域中有交叉；另，中國港澳臺(tái)地區(qū)學(xué)者的貢獻(xiàn)暫未統(tǒng)計(jì)。
中國生命科學(xué)高影響力研究顯著性增多，代表整個(gè)研究水平實(shí)質(zhì)性提升，這可歸于4點(diǎn)：①中國對(duì)科技的重視，全社會(huì)R&D投入經(jīng)費(fèi)持續(xù)近20年的2位數(shù)增長，為生命科學(xué)研發(fā)提供了保障性資金。②科研隊(duì)伍不斷壯大，2013年以來中國R&D人員總數(shù)保持世界第一，包括學(xué)成回國和本土成長人才，形成了人才高地的基礎(chǔ)。③國家圍繞科學(xué)前沿領(lǐng)域設(shè)立了各類科技專項(xiàng)計(jì)劃，并大幅改善科研條件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，國家自然科學(xué)基金的資助力度也不斷加強(qiáng)。④廣泛的國際合作。例如，近20年中，中國的國際合作論文為23%以上，其中，高影響力合作論文占比2.9%，是中國發(fā)表的全部論文中高影響力論文占比比例的2倍。生命科學(xué)領(lǐng)域情況也類似。
近10年中國生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果舉例
如果說高被引用論文經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)，屬于回顧性的，那么每年由科技界評(píng)選出來的年度科學(xué)進(jìn)展則屬于科學(xué)熱點(diǎn)。中國有2項(xiàng)生命科學(xué)年度進(jìn)展相關(guān)評(píng)選活動(dòng)。①科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心（基礎(chǔ)研究管理中心）組織的“中國十大科學(xué)進(jìn)展”，始于21世紀(jì)初，由兩院院士、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任群和“973”技術(shù)項(xiàng)目首席科學(xué)家群投票產(chǎn)生；②年度“中國生命科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展”，創(chuàng)辦于2015年，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)生命科學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)合體選出。這2項(xiàng)評(píng)選結(jié)果常常高度吻合。前者歷經(jīng)20年，筆者過去因工作關(guān)系常常應(yīng)邀對(duì)評(píng)選結(jié)果作整體點(diǎn)評(píng)，印象比較深。這里，對(duì)其近10年評(píng)選結(jié)果進(jìn)行梳理，這些研究大多有明確的問題導(dǎo)向，或在科學(xué)上產(chǎn)生重要影響，或在醫(yī)學(xué)和糧食安全方面展示了重大的應(yīng)用價(jià)值。
分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳；揭示了一種精細(xì)的DNA復(fù)制起始位點(diǎn)的識(shí)別調(diào)控，Tet雙加氧酶在哺乳動(dòng)物表觀遺傳調(diào)控中的作用，以及人類原始生殖細(xì)胞基因表達(dá)與表觀遺傳調(diào)控特征等分子機(jī)制；發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)匱乏引發(fā)細(xì)胞自噬的分子機(jī)制等。表觀遺傳學(xué)成果連續(xù)上榜，反映出分子遺傳學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)；其中，中國學(xué)者貢獻(xiàn)了全球15.5%的高引論文（2011—2021年）。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。破解藻類水下光合作用的蛋白結(jié)構(gòu)和功能；揭示非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)及其組裝機(jī)制；揭示RNA剪接的關(guān)鍵分子機(jī)制；解析人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)、阿爾茨海默病致病蛋白三維結(jié)構(gòu)、TAL效應(yīng)蛋白特異性識(shí)別DNA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些重要蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的解析，對(duì)理解其分子機(jī)器機(jī)理的意義重大。自從裝備了冷凍電鏡以后，中國學(xué)者解析了大批重要的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，包括一批新冠病毒重要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，如前所述，AI預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)的能力越來越強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家已經(jīng)在思考如何乘潮流而動(dòng)、更加深入開展蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究。
干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)、生殖與發(fā)育領(lǐng)域。中國科學(xué)家在早期率先用iPS干細(xì)胞克隆出小鼠以后，逐漸在細(xì)胞和動(dòng)物克隆領(lǐng)域形成強(qiáng)大陣容。近期代表成果包括：深度解析多器官衰老的標(biāo)記物和干預(yù)靶標(biāo)；證實(shí)單倍體孤雄干細(xì)胞具有可替代精子和快速傳遞基因修飾的能力；基于體細(xì)胞核移植技術(shù)成功克隆出獼猴。近5年，中國學(xué)者在高被引論文中的貢獻(xiàn)率為20.3%。中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“器官重建與制造”從器官原位再生、體外制造和異體再造等方面系統(tǒng)部署，挑戰(zhàn)高等哺乳類復(fù)雜器官難以再生的根本問題；目前，該專項(xiàng)已經(jīng)取得一批重要的原始性發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新，部分已經(jīng)進(jìn)入臨床研究。
重大疾病機(jī)理與診療方面。提出基于DNA檢測(cè)酶調(diào)控的自身免疫疾病治療方案；構(gòu)建出世界上首個(gè)非人靈長類自閉癥模型；揭示抑郁發(fā)生及氯胺酮快速抗抑郁；建立膽固醇代謝調(diào)控的腫瘤免疫治療新方法。兩種天然產(chǎn)物靶向特異蛋白治療白血病是中國科學(xué)家在率先成功治愈急性早幼粒白血病基礎(chǔ)上的系統(tǒng)性貢獻(xiàn)。中國學(xué)者首次揭示細(xì)胞炎性壞死（焦亡）的關(guān)鍵分子機(jī)制，為多種自身炎癥性疾病提供了一個(gè)全新的藥物靶點(diǎn)，重新定義了細(xì)胞焦亡的概念，開辟了一個(gè)新的程序性細(xì)胞壞死的研究領(lǐng)域。
病原生物學(xué)與傳染病領(lǐng)域。中國學(xué)者在應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情中作出了系統(tǒng)性貢獻(xiàn)，從病原生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、分子流行病學(xué)、免疫學(xué)、檢測(cè)技術(shù)、藥物、疫苗研發(fā)和應(yīng)用，到臨床診治獲得大量重大成果，高被引用論文1450余篇，熱點(diǎn)論文200余篇，占比均為世界總數(shù)的20%。其中，“揭示新冠病毒（SARS-CoV-2）逃逸抗病毒藥物機(jī)制”被評(píng)選為“2021年度中國十大科學(xué)進(jìn)展”。其他重大進(jìn)展包括：揭示了埃博拉病毒演化及遺傳多樣性特征；在H7N9禽流感病毒溯源和H5N1禽流感跨種間傳播機(jī)制研究中獲突破；乙型肝炎病毒（HBV）受體肝臟牛磺膽酸鈉共轉(zhuǎn)運(yùn)多肽（NTCP）的發(fā)現(xiàn)為解決實(shí)驗(yàn)中HBV感染細(xì)胞難題和發(fā)展抗乙肝藥物奠定了重要基礎(chǔ)；通過揭示非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)及其組裝機(jī)制，為解決抗非洲豬瘟病毒疫苗這個(gè)世界難題提供了基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)的解決方案。
農(nóng)業(yè)生物學(xué)領(lǐng)域。調(diào)控植物生長—代謝平衡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展；揭示水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制；揭示蝗蟲聚群成災(zāi)的奧秘——4-乙烯基苯甲醚是蝗蟲的群聚信息素；生態(tài)學(xué)試驗(yàn)證實(shí)Bt轉(zhuǎn)基因棉花種植可促進(jìn)對(duì)害蟲的生物控制。尤其重要的是，繼半矮稈形狀基因?yàn)榇淼摹熬G色革命”之后，以袁隆平為代表的中國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)了水稻雜交育種理論與技術(shù)的突破，是第二次飛躍。后來袁隆平傾其畢生精力培育的超級(jí)稻，畝產(chǎn)首破1000 kg（2014年中國十大科技進(jìn)展新聞）。2017年，李家洋團(tuán)隊(duì)的“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)”獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，被雜交小麥之父李振聲譽(yù)為“繼‘綠色革命’和雜交水稻后的第三次重大突破，標(biāo)志著‘新綠色革命’的起點(diǎn)”。中國學(xué)者的貢獻(xiàn)，為全球糧食安全提供了重要技術(shù)路徑，是對(duì)人類的重大貢獻(xiàn)。
合成生物學(xué)領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)酵母長染色體的精準(zhǔn)定制合成、創(chuàng)建出首例人造單染色體真核細(xì)胞，從而打開了染色體工程新的研究窗口；通過拓展密碼子將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗，安全且有效；設(shè)計(jì)了用于腫瘤治療的智能型DNA納米機(jī)器人。近5年，中國學(xué)者在高引用論文和熱點(diǎn)論文中的貢獻(xiàn)均超過20%。自從2021年創(chuàng)建了從二氧化碳到淀粉的無細(xì)胞人工合成途徑以來，2022年又相繼報(bào)道了最簡酶促合成碳固定循環(huán)和從二氧化碳還原合成葡萄糖和脂肪酸。這些開創(chuàng)性研究試圖將二氧化碳資源化，為工業(yè)生物制造提供多種路徑，并有可能服務(wù)于“雙碳”目標(biāo)。
生物起源與演化。中國學(xué)者曾在澄江動(dòng)物化石群取得了一系列舉世矚目的成果，被譽(yù)為“20世紀(jì)最驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一”。近期中國學(xué)者采用古基因組研究揭示了近萬年來中國人群的演化與遷徙歷史，用大數(shù)據(jù)刻畫出迄今最高精度的地球3億年生物多樣性演變歷史，足見現(xiàn)代技術(shù)對(duì)經(jīng)典傳統(tǒng)學(xué)科的影響。
模式動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)工具。基于體細(xì)胞核移植技術(shù)成功克隆出獼猴，創(chuàng)建了非人靈長類自閉癥模型，這些最接近人類的模式動(dòng)物將為醫(yī)學(xué)研究提供重要的支撐。中國物理學(xué)家、化學(xué)家和信息技術(shù)專家創(chuàng)造出多種科學(xué)工具，對(duì)生命科學(xué)的貢獻(xiàn)不勝枚舉，如可實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)、單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振探測(cè)等。
中國生命科學(xué)研究未來發(fā)展趨勢(shì)研判和建議
發(fā)展趨勢(shì)
中國生命科學(xué)厚積薄發(fā)，10年進(jìn)步顯著，悄然改寫世界生命科學(xué)版圖。科技抗擊新冠肺炎疫情是一個(gè)縮影。其間，中國科學(xué)家經(jīng)受嚴(yán)峻考驗(yàn)，從基礎(chǔ)研究到臨床，表現(xiàn)可圈可點(diǎn)。發(fā)表前1%論文數(shù)量僅次于美國，單篇引用達(dá)成千上萬次的前20篇論文大部分來自中國。其中，率先鑒定出病原并給出基因組序列、明確細(xì)胞ACE2是病毒的受體、提供臨床治療方案和經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)全球新冠肺炎疫情防控作出重大基礎(chǔ)性共享。
中國生命科學(xué)未來發(fā)展，已具備3個(gè)優(yōu)勢(shì)：①研究水平普遍提高。這點(diǎn)已經(jīng)被圖2和3的數(shù)據(jù)證明，而且?guī)缀踉谏茖W(xué)各個(gè)領(lǐng)域我國都有卓越的研究成果；從趨勢(shì)來看，繼續(xù)擴(kuò)大影響力屬于必然。②隊(duì)伍不斷發(fā)展壯大。在各個(gè)領(lǐng)域都有數(shù)量可觀的團(tuán)隊(duì)在活躍著，形成金字塔人才結(jié)構(gòu)，且仍然有青年人才紅利。一個(gè)令人鼓舞的例子是，中國每年有100多支學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加美國麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦的國際遺傳工程機(jī)器（合成生物學(xué)，iGEM）大賽；一屆接一屆，保持了30%—40%的金牌紀(jì)錄，這說明中國在生命科學(xué)及其交叉學(xué)科領(lǐng)域有優(yōu)秀的青年后備軍。③國家高度重視生命科學(xué)。已經(jīng)設(shè)立了腦計(jì)劃、干細(xì)胞與器官修復(fù)、合成生物學(xué)、生物大分子機(jī)器、微生物組學(xué)、前沿生物技術(shù)、IT（信息技術(shù)）-BT（生物技術(shù)）、診療裝備、中醫(yī)藥、慢病防治、生殖健康等一系列重點(diǎn)計(jì)劃和專項(xiàng)，并有明確的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。國家自然科學(xué)基金則強(qiáng)調(diào)鼓勵(lì)探索、突出原創(chuàng)等指導(dǎo)方針，加上中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等，共同協(xié)調(diào)支持中國生命科學(xué)研究。
問題分析和措施建議
中國生命科學(xué)在取得長足進(jìn)步的同時(shí)，也有亟待要解決的問題及新的挑戰(zhàn)。以下是相關(guān)思考及建議。
理順各科技創(chuàng)新模塊的定位分工和資源配置模式。經(jīng)過40多年發(fā)展和持續(xù)改革，中國生命科學(xué)研究力量分布已經(jīng)形成幾大模塊。由于模塊之間并無明確分工，且資源配置模式無差別，在大家奮力前行的同時(shí)，產(chǎn)生同質(zhì)化和無序競爭。例如，一個(gè)生命科學(xué)基礎(chǔ)研究國家機(jī)構(gòu)，70%以上的年度經(jīng)費(fèi)需要通過與其他模塊同行競爭獲得，這不同于國際上的通行做法，難以形成“鐵打的營盤”和“百年老店”（即國際知名研究機(jī)構(gòu)），也增加了整個(gè)科研體系的管理成本。希望在新的改革中予以解決。
處理好漸進(jìn)式研究和顛覆性研究的關(guān)系。數(shù)十年來，中國科技逐漸告別跟蹤性研究模式，歷史性地站到了科學(xué)發(fā)展前沿。大家常說，當(dāng)今教科書上的生命科學(xué)知識(shí)體系主要源于歐美科學(xué)家的貢獻(xiàn)，期盼中國學(xué)者能夠在開創(chuàng)新的研究方向上更多地發(fā)揮引領(lǐng)作用。筆者曾經(jīng)與澳大利亞前政府首席科學(xué)顧問Alan Finkel談及漸進(jìn)式科研和顛覆性科研；得到的共識(shí)是，量變到質(zhì)變是真實(shí)地存在。例如，正是由于在SARS病毒溯源方向長期的“冷板凳”研究，中國病毒學(xué)家在新冠肺炎疫情發(fā)生初期就能及時(shí)擔(dān)當(dāng)。在挑戰(zhàn)重大科學(xué)命題和應(yīng)用目標(biāo)的同時(shí)，堅(jiān)持廣泛支持探索性研究，也同樣重要。“從0到1”的創(chuàng)新常常刷新我們的三觀，這本身就說明顛覆性創(chuàng)新源自創(chuàng)新沃土、科學(xué)海洋，難以“預(yù)測(cè)”和“設(shè)計(jì)”。
加快解決生物技術(shù)轉(zhuǎn)化的難題。生物技術(shù)對(duì)人類健康和糧食安全作出了巨大貢獻(xiàn)。中國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率已經(jīng)超過60%，但與發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)相比還有不少差距。醫(yī)藥技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的差距更明顯，此不贅述。這里有3個(gè)原因：①競爭性的技術(shù)源于原始性創(chuàng)新，原始性創(chuàng)新需要大量非急功近利的研究積累——積累，是繞不過去的坎。②以論文為唯一導(dǎo)向的評(píng)價(jià)活動(dòng)還普遍存在，不少研究活動(dòng)是為了論文而做論文。然而，單位的論文指標(biāo)上去了，轉(zhuǎn)化研究人員卻常常被邊緣化，這也導(dǎo)致科研成果供給不足。 ③產(chǎn)學(xué)研機(jī)制在許多地區(qū)并沒有實(shí)質(zhì)性建立，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)之間的鴻溝難以逾越。科技開發(fā)園區(qū)有不少成功的經(jīng)驗(yàn)值得推廣。例如，深圳市光明區(qū)政府與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院共同創(chuàng)造的“樓上樓下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合體”是一個(gè)很好的模式，“將研究板塊與初創(chuàng)企業(yè)的空間距離壓縮為零”。
營造先進(jìn)的科研文化和氛圍。筆者曾與英國學(xué)者共同主持國家自然科學(xué)基金-牛頓基金支持的“促進(jìn)新生物科技的公眾理解”研討班，分析和討論新興科研議題的公眾參與與溝通模式、生命科學(xué)研究科研范式、科研管理、互信互助、知識(shí)共享、科學(xué)倫理與法律等。參與者的熱情和智慧、前瞻性理念、樂于分享與相互啟發(fā)的精神，讓筆者想起許多校訓(xùn)、院訓(xùn)及其對(duì)莘莘學(xué)子的精神陶冶，先進(jìn)的科研文化和環(huán)境氛圍孕育先進(jìn)的科學(xué)思想。反觀，爭“帽子”和“打招呼”風(fēng)氣一直以來深深困擾一線研究人員，侵蝕著科學(xué)精神，需要根治。
堅(jiān)持開放性研究和國際合作。生命科學(xué)是人類命運(yùn)共同體的聯(lián)系紐帶，具有長期的國際合作傳統(tǒng)。但近些年，世界政治經(jīng)濟(jì)格局發(fā)生深刻變化，國際合作的傳統(tǒng)被踐踏。對(duì)InCtie/Web of Science數(shù)據(jù)庫分析可見，中美學(xué)者合作發(fā)表的科學(xué)論文數(shù)量持續(xù)增長數(shù)十年并相互成為最大的合作伙伴，2019年雙方合作論文達(dá)66600多篇，為歷史最高。然而，2020年首度下降，減少1.5%，2021年繼續(xù)下降5.9%（生命科學(xué)合作論文減少9%），2022年可能出現(xiàn)斷崖式下降。此形勢(shì)下，中國生命科學(xué)可充分利用世界衛(wèi)生組織（WHO）和國際糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）等聯(lián)合國和政府間組織機(jī)制、生命科學(xué)各類學(xué)術(shù)社團(tuán)的平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)多媒體等形式，堅(jiān)持開展合作研究，世界終將回歸理性。
中國生命科學(xué)整體上已經(jīng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段。在繼續(xù)擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，解決好存在的問題，用新的輝煌，建設(shè)健康中國、平安中國，打造科技強(qiáng)國，貢獻(xiàn)人類。
（作者：張先恩，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員，中國科學(xué)院深圳理工大學(xué)（籌）合成生物學(xué)院名譽(yù)院長。《中國科學(xué)院院刊》供稿）