當今世界科技處于重大變革前夜，對物質本質、宇宙本源、生命活動本質的探索是基礎研究取得革命性突破的前兆。因此，科學研究范式亟需深刻變革。而科學范式轉移的前提是，原有的范式已不能實現(xiàn)科學理論的實質性突破，甚至是理論之間多有沖突。
2007年，圖靈獎得主吉姆•格雷曾提出，信息爆炸迫使科學家必須將實驗、理論和計算機計算統(tǒng)一起來，建立起一種新的科學研究范式，即“第四范式”。研究內容由局部走向系統(tǒng)，方法由單一學科走向學科交叉，范疇由多層分科走向探索共性。
的確，任何洗心革面的突破，都需要以科學研究新范式為前提。生命科學的基礎研究領域，我們習慣了在三維空間，即以物質靜態(tài)的空間結構進行研究。若想揭示生命活動本質，筆者認為，應在原有三維的基礎上，加入時間和能量信息維度，才能更好地揭示生命物質和非生命物質演變的四維空間運行規(guī)律，解析能量信息在其中的網(wǎng)絡傳遞機制。
生命體的能量信息網(wǎng)絡傳遞
在自然界中，能量信息可能總是相伴而行，無處不在。能量作為生命活動的動力，不僅賦能構成生命體的各種結構，還可以維持體內生命物質的位移或變構等微觀運動，同時伴隨體內信息的網(wǎng)絡傳遞。
而信息則是客觀事物之間相互聯(lián)系和相互作用的表征，是創(chuàng)建一切宇宙萬物的最基本單位。它不能獨立存在，其主要的載體形式是能量波，以傳輸和轉換實現(xiàn)信息傳遞。
那么，能量信息在生命體內如何運轉？這很可能也是以特殊生物微波的形式存在（能夠被可視化），調節(jié)生命物質同化和異化，通過對立統(tǒng)一矛盾運動，完成生物大分子間的互作、代謝更新、復制變異和機體穩(wěn)態(tài)。
生命活動的本質是蛋白質及其他生物大分子的同化作用和異化作用的對立統(tǒng)一運動過程。在此過程中，生物大分子以自我更新、自我復制、自我調節(jié)的方式維系生命整體活動所表征的高智能、自組織、自穩(wěn)態(tài)，新陳代謝、自我修復、自我繁衍。認知生命活動本質的重大基礎研究就是對這一過程進行系統(tǒng)全面解析，揭示隨時間變化而變化的生物大分子結構動態(tài)變化特征、瞬時屬性，以及由此而決定的細胞結構和功能狀態(tài)，探索在不同健康狀況、不同基因結構、不同生活方式和所處不同生活環(huán)境下的人體生物大分子變構及細胞結構和功能狀態(tài)的動態(tài)變化規(guī)律。
宇宙的本質可能就是能量。能量不同的聚集態(tài)構成了宇宙的三大組成，即明物質、暗物質、暗能量，千差萬別的明物質也是能量不同聚集態(tài)的表征。由此推論，作為生命體的典型代表——人體也是由明物質、暗物質、暗能量三部分構成，由無時不在的能量信息的網(wǎng)絡化傳遞轉換機制調節(jié)維系生命活動。
醫(yī)學發(fā)展的現(xiàn)實窘境
如果說上述能量信息假說為科學研究新范式提供了目標和思路，那么醫(yī)學領域現(xiàn)實窘境則催生了科學研究新范式的轉變。
當前，人們對疾病的認知和治療并沒有本質突破，依然使用天然的和化學合成的物質對抗治療疾病，對整體生命活動改善還非常有限，甚至某些疾病的治療方法還出現(xiàn)了退步。
基因治療雖被寄予了厚望，但現(xiàn)代基因之父沃森卻忠告，要想通過基因序列治療癌癥和其他疾病，可以說是沒價值的。外科手術盡管越來越“微創(chuàng)”，但是仍未改變其以丟掉組織為代價來治療疾病的傳統(tǒng)療法。此外，“互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”也沒能真正實現(xiàn)醫(yī)學與信息科學的融合，邁向相互促進的發(fā)展模式。
馬克思曾說過：“一門科學只有當它達到了能夠成功地運用數(shù)學時，才算真正發(fā)展了。”現(xiàn)代科學是建立在受控實驗所得到的公理上，具有公理性、可計算性和可驗證性；而醫(yī)學研究則是建立在結構學、功能學和生物實驗觀察之上的，這些實驗所得的觀察結果大多未能實現(xiàn)數(shù)理邏輯上的公理化。數(shù)學家在生物學中取得的成功遠不及于在物理化學領域，在很大程度上沒有形成計算醫(yī)學的研究范式。借助DNA雙螺旋依然只能觀測基因結構的一些二維生命現(xiàn)象，還未能系統(tǒng)揭示其三維、四維的內在分子互作關系上的數(shù)理邏輯機制。
可以說，現(xiàn)代醫(yī)學對人的整體生命活動規(guī)律的認知仍停留在局部化或碎片化層面，依然不能清晰解釋許多疾病的本質，更談不上對生命本質的基礎科學問題的揭示，還不知曉能量與信息在人體內部的互聯(lián)互通，以及與人體外部環(huán)境的交換是何種生物物理模式。
因此，亟待建立科學研究新范式，系統(tǒng)刻畫人體數(shù)字生命運行系統(tǒng)。
三大基本科學問題待解答
生命科學領域的基礎研究不只是用先進的觀測手段揭示亞細胞水平或分子水平的微細結構，更不是僅以先進技術所發(fā)現(xiàn)的靜態(tài)結構就能表征生命的微觀和宏觀動態(tài)過程。亞細胞或分子水平的系統(tǒng)生命活動既依賴于一定的結構存在，也需要結構間的系統(tǒng)互作，更需要結構間互作所表征的功能的時空變化。
基于此，生命科學領域亟需解答三大基本科學問題，即解析生命體微觀結構、探索結構之間的關聯(lián)關系、揭示結構及功能的時相性變化規(guī)律。
細胞是生命體的核心單元，人體是由約37~40萬億個細胞構成的復雜系統(tǒng)，微流控細胞分離、單細胞DNA/RNA測序、細胞原位分析、質譜流式細胞分析等技術已逐漸建立并用于單細胞分析。
單細胞檢測技術會產生包括DNA序列、RNA序列、蛋白質組以及細胞空間位置等海量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行分析，用生物信息學的方法從中篩選出有用的信息就可以建立細胞結構圖譜數(shù)據(jù)庫。
而在許多情況下，轉錄水平不足以用來預測蛋白質表達水平以及解釋基因型與表型的關系。因此，我們要以復雜系統(tǒng)科學的整體論作為方法論，探索在生物分子、細胞、組織、器官等多個層級結構之間相互作用中“涌現(xiàn)”出的新屬性，系統(tǒng)探索它們之間的關聯(lián)關系。
當然，人體從受精卵形成時起到生命活動結束的全生命周期，所有組織結構及其功能無不發(fā)生時相性的演變。我們應該采用密集數(shù)據(jù)驅動的科學范式，挖掘隱藏于高維、高通量多維融合的生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)中的新洞見，將生物醫(yī)學領域的知識模型轉換為數(shù)學模型，以生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，以人工智能算法對模型進行迭代、訓練，輸出能夠再現(xiàn)逼近于真實的生命系統(tǒng)結構與功能的時相變化表征。
須多學科交叉解答科學問題
要探明任何復雜事物的本質而不對它進行剖析和簡化是不可能的，而要認識事物發(fā)展的全過程，觀察事物的全貌又必須對各個細節(jié)和部分進行系統(tǒng)化、整體化整合。自然界沒有無局部的整體，也沒有無整體的局部。
傳統(tǒng)的西方醫(yī)學主要以人體的生理、結構和疾病為研究對象，并在還原論的方法指導下，注重結構性的“實體”實驗，以空間變化為主要觀察目標，但它卻無法做到同時獲得空間和時間上的病癥動態(tài)變化、生命功能的能量和信息變化等的系統(tǒng)認知。因此，從宏觀到微觀系統(tǒng)全面揭示人體能量信息復雜網(wǎng)絡過程，研究疾病整體水平的系統(tǒng)發(fā)生機制，在整體水平創(chuàng)新預防和治療方法，是現(xiàn)代生命科學研究的重要方法論。簡言之，揭示生命本質，不能只見樹木不見森林，也不能只見森林不見樹木，而是要既見樹木也見森林。
但生命系統(tǒng)具有非線性多層次開放性特征，處于復雜多變的時空環(huán)境中。面對生命與健康的多組元、多尺度、跨時空、跨層次的相互作用的復雜網(wǎng)絡化表征，只有建立學科交叉、知識融合、技術集成的科學技術體系，才有可能揭示人體能量信息網(wǎng)絡化復雜巨系統(tǒng)。
刻畫全息人體數(shù)字生命系統(tǒng)
當前，以基因組學、蛋白組學、代謝組學等系統(tǒng)生物學為代表的生命科學技術進步使人們有可能從超微觀的分子、微觀的生物大分子、亞細胞、細胞、細胞間鏈接、組織、器官、系統(tǒng)和整體多層面解析結構，解析結構間的關聯(lián)關系，系統(tǒng)性探究組織器官中細胞的精細結構及其功能的時相性變化，獲取海量的生命活動數(shù)據(jù)。
在海量數(shù)據(jù)的基礎上，我們應建構數(shù)學模型，進而揭秘生命科學大數(shù)據(jù)背后的生命活動過程規(guī)律的數(shù)學表達，有效模擬、再現(xiàn)或復現(xiàn)生命活動過程，重構生命體四維結構和時相性變化規(guī)律及物質、能量與信息轉化形式。
最后，用人工智能刻畫全息人體生命系統(tǒng)的數(shù)學模型，以定性定量定位描述生命活動的狀態(tài)，健康水平、疾病程度及治療效果和轉歸。
以藥物研發(fā)為例，疾病發(fā)生并非單一靶點變化所導致，單靶向藥物連續(xù)應用6~10個月，大多發(fā)生耐藥�；谙到y(tǒng)生物學和中藥方劑學的理論，應系統(tǒng)探尋引發(fā)某一疾病的多靶點分子機制，研發(fā)分子定向明確的具有多靶向系統(tǒng)性干預、調節(jié)功能的藥物，應成為國際新藥研發(fā)的主流，也是中藥現(xiàn)代化的發(fā)展方向，是讓我國中藥經典名方走向國際的科學途徑。
相信不久的未來，生命科學領域產生革命性突破，一定源于醫(yī)學科學與以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和量子計算為代表的信息技術的深度融合。通過創(chuàng)新算法、提升算力、建立模型，以新的科學范式，解析人體能量信息網(wǎng)絡傳遞機制。這樣不僅有助于我們洞察人體變化、探究致病機制、精確疾病診療，還可以有效開展疾病預防、指導保健實踐，助力健康中國建設�！�
（作者系中國工程院院士、河北醫(yī)科大學教授，記者張思瑋整理）