百替生物郭磊:從矽時代到碳時代

同分異構現象無機物也有嗎

在人類歷史發展的過程中，我們經常用最具代表性的生產元素來指代一個歷史時期，如：石器時代，青銅時代，鐵器時代，蒸汽時代、電氣時代、原子時代等。如果我們以此為對照，那麼20世紀後半葉以來，計算機、晶片、網際網路引領了社會的快速發展，成為了舞臺的聚光點。這一時代最引人注目的元素無疑是矽，這個時代可以稱為“矽時代”。

隨著科技的進步，人類生產和可利用的物質資源越來越多，每個個體都開始擁有越來越多消費不完的物質。許多原來稀缺的物質需求對於今天的人們來說已經不是問題。但是，人類對於自身健康的關注度始終持續升溫，生命科學領域的服務和產品擁有龐大的市場需求。下一個時代的核心元素一定會是有機物的核心元素，也是矽的同族元素——碳。我們已不期然地從“矽時代”過渡到了“碳時代”。

作為資訊時代的核心元素，矽是地球上儲藏最豐富的元素之一，是無機化合物的主角，在岩石、土壤和砂子中都有豐富的矽。矽，位於元素週期表第四主族，與碳元素相同：原子最外層均有四個電子，主要形成四價的共價化合物。從19世紀科學家們發現了晶體矽的半導體特性後，它幾乎改變了人類的思維方式。矽材料具有耐高溫和抗輻射效能較好，特別適宜製作大功率器件等特性，成為應用最多的一種半導體材料，積體電路半導體器件大多數是用矽材料製造的。碳作為矽的同族元素，是有機物的核心元素。目前普遍認可的對於有機物和無機物的區分，仍然把是否含有碳元素作為一個重要標準。相對於矽原子而言，碳原子具有更加豐富的成鍵方式。（碳原子最外層4個電子形成共價鍵時，可以形成4個單鍵；2個單鍵+1個雙鍵； 1個單鍵+1個三鍵；2個雙鍵；還可以形成大π鍵等。）碳原子相互之間及與其他原子之間，可以形成各種各樣的鏈狀和環狀結構，所形成的環可以是單環，也可以是多環，環可大可小，鏈可長可短，支鏈可多可少等。碳原子數量可以是幾個，也可以是成千上萬，許多聚合物甚至可以有幾十萬個碳原子。此外，有機化合物中同分異構現象非常普遍，這也是有機化合物數目繁多的原因之一。碳原子的這些特性，使得有機物的種類相對於無機物大大豐富，也帶來了無限的可能性，可以說，生命的起源，與以碳為核心元素的多種有機物中，有某些必然的聯絡。

地球上所有的生命體中都含有豐富的有機物。此外，許多與人類生活有密切相關的物質，如化纖、塑膠、橡膠、藥物等，均與有機物有密切聯絡。地球上的生命形式大都主要是由有機物組成的。一種普遍認可的生命起源理論認為：最早的生命起源於“原始湯”——漂浮著大量簡單有機物的海洋。陽光把簡單分子建成複雜分子，逐漸出現一條複雜的鏈構成的大分子，鏈本身是由各種型別的起構件作用的分子所組成。構件會自動地按照一定的序列排列起來，形成一條“鏈”，這種鏈有合二為一或一分為二的可能，並在一個偶然的機會下實現了自我複製，這種複製過程中作為樣板的作用並不產生完全相同的複製，而是某種“反象”，這種“反象”轉過來再產生和原來的正象全似的複製：現代的第一個複製基因即DNA分子，它所使用的是從正到反的複製過程。在不斷的複製中不可避免會出現一些缺陷和謬誤，這種“錯誤”的積累帶來了多種編碼方式，保證了物種的多樣性。從病毒到人類，所有生物體內的新陳代謝和生物的遺傳現象，都涉及到有機化合物的轉變。

最初的生命體在發展過程中逐漸分化，其中的一大分支，即現在的植物，開始利用陽光直接把簡單分子建成複雜分子，並供給自身。另外一個分支，即現在的動物，要麼以植物為食，要麼以其他的動物為食。隨著時間的推移，更小的分支以及分支的分支逐漸形成，每一個小分支都在某一特殊方面（如在海洋裡、陸地上、天空中、地下、樹上、或其他生活體內），取得超人一等的謀生技能。各種小分支不斷形成，終於帶來了今日如此豐富多彩的生態環境。

從這種看似深奧枯燥的“冷知識”，當我們和現代生活方式的發展路徑進行對比後，會發現一些有趣的巧合：在生產力低下，物質貧乏的年代，人們的需求和相應的供給都是比較單一而缺乏想象力的。小到著裝，大到汽車，幾乎全國統一，體現不出差異性和個性，正如混沌狀態一鍋各種小分子組成的“湯”，看不出什麼多種未來的可能性。而在現在這個資訊高度發達，物質供給多樣的社會條件下，商業更注重個性化的情感和審美，各種越來越個性化，精細化的要求都在被滿足。在這個進化過程中各個商業組織都在尋求建立以自己為核心的生態圈：一個商業生態圈一般會由一家強大的公司或一個龐大的市場需求為主導，以此為核心，尋找上下游產業鏈的相關企業一起合作。同時透過各種形式的“聯姻”迅速擴充產品線，共同構建起一個強大的聯盟，來對抗外界衝擊，同時更好地適應“空氣”和“土壤”，同時發展出各種小分支以及更小的分支迎合市場中的各種個性化需求。這個進化過程帶來了空前繁榮的商業體系和多種多樣的商業生態系統。

從生物學和進化的角度去觀察，就很容易理解未來時代發展的趨勢，必然是從機械化向生命化發展，同時以碳為核心元素的生命科學領域即將接棒以矽為核心元素的計算機網際網路領域成為下一個風口。在目前這樣的過渡時期，商業的發展必將呈現兩方面的特點：原有優勢行業（計算機和網際網路行業）發展趨勢呈現“有機化”“生命化”；與生命科學相關的產業將迅速崛起，成為引領時代發展的領域。

在計算機、網際網路行業，“有機化”“生命化”的趨勢體現在兩個方面：一方面越來越多的碳基材料，有機物開始取代冷冰冰的金屬和晶元出現在計算機中；另一方面使用計算機來模擬人的某些思維過程和智慧行為的人工智慧。

在從“矽”到“碳”的過渡時代，傳統意義上的有機材料越來越多的出現在全新的應用領域。1965年，英特爾聯合創始人戈登-摩爾（Gordon Moore）觀察到，積體電路中的元件整合度每12個月就能翻番。此外，確保每電晶體價格最低的單位晶片電晶體數量每12個月增長一倍。這一現象經簡化總結後就被稱作“摩爾定律”：單位晶片電晶體數量每12個月增長一倍。摩爾定律提出的預測早在很久之前就已出現過問題。2014年，國際半導體技術路線圖組織決定，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。與矽相比，碳基材料，能帶來更快的開關速度，而功耗也較低。無論是碳奈米管還是石墨烯，也在繼續被業內研究。在許多備選材料中，二維材料“石墨烯”目前最被看好。另一個被給予厚望，可能在未來20-30年內出現革命性成果的研究領域是生物計算機。1994年11月生物計算機概念首次提出後立即大火：基於蛋白質的“電晶體”；計算效率遠高於任何矽基計算機的細菌計算機，還有更為極致的DNA計算機：一支試管中可同時容納1萬億個此類計算機，運算速度可以達到每秒10億次，1立方厘米空間可儲存的資料量超過1兆片CD，能耗僅相當於普通電腦的10億分之一甚至更低。

作為高度進化的智慧生物——人類，對自身的意識、思維的資訊過程的人工模擬是人們一直嘗試探索的一個重要領域。今年三月中旬的五場韓國九段棋王李世乭對戰Google AI程式─AlphaGo的世紀之戰，更引發了大眾對人工智慧的普遍關注。人工智慧的發展歷史是和計算機科學技術的發展史聯絡在一起的。從計算機被髮明出來之後，人們一直研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智慧工作，模擬人的某些思維過程和智慧行為。“弱”人工智慧如今不斷地迅猛發展，我們時常接觸的Siri和Android裝置上的語音助手就是最好的兩個例子。“強”人工智慧則暫時處於瓶頸，未來突破可能還要寄希望於多學科，特別是生物學、醫學、神經生理學，心理學等學科的共同發展。

除了以往優勢行業“有機化”“生命化”的趨勢，從一個相對較長的歷史時期內預測，與生命科學相關的產業也必將迅速崛起，成為引領時代發展的領域。人類進入21世紀，環境惡化、人口老齡化，這些因素給人類帶來巨大挑戰的同時，也給生命醫藥行業帶來巨大的歷史機遇。從當前的國情出發，上一波人口紅利正在轉化為老齡化的巨大壓力，中國最為老年人口大國，本身就是生命科技產品的巨大市場。加之最近二胎政策開放，“一老一小”推動了旺盛的需求。而現在國內的生命科學產業發展還很不成熟，幾乎不存在市場化的規範的服務產品，醫療資源短缺，醫改7年，醫患關係越來越緊張，甚至成為一個影響巨大的不穩定因素。有人說是體制問題，是資源投入不夠的問題。2014年美國全社會醫療衛生總支出佔GDP16%，全球第一，但美國人對醫療政策和醫療現狀依然怨聲載道。這一系列問題的本質原因是生命科學的研究水平，醫學技術、診療技術的發展水平和社會需求存在極大的差距。與各行業的網際網路化帶來的這波紅利不同，傳統行業之前是“供需兩旺，資訊不暢”，而生命科學相關產業如果不透過基礎研究上取得突破，從根源上解決供給的問題，僅僅從資訊、物流、渠道上入手，還是無法滿足市場的需求。正是意識到這一點，美國社會從大財團到社會基金對生命科學領域的投入非常大。國內一些有遠見的資本和機構也在生命科學和大健康領域提前佈局。

“登高而招，臂非加長也，而見者遠；順風而呼，聲非加疾也，而聞者彰”。“時來天地皆同力，運去英雄不自由”在這個時代想要取得成功，“順勢而為”的重要性甚至遠遠超過“努力+天賦”，不論如何發奮圖強，方向錯了，即使小成，也無法完成創舉。《黑天鵝》裡面有個故事，火雞出生後的1000天，每一天都得到人類的餵食，因此它相信友善的人類會永遠餵食它。直到感恩節之前的星期三下午，發生了一件意想不到的事情，給它餵食的那隻手擰斷了它的脖子。未來的商業競爭中，審時度勢將成為最重要的本領。碳時代的腳步已經臨近，讓我們共同期待引領這個嶄新時代的弄潮兒！

作者系郭磊博士，百替生物創始人。曾兩度共8年在哈佛大學留學、工作，歷任訪問學者、博士後研究員、講師。31歲即被破格評為浙江大學當時最年輕的教授、博導。曾承擔多項國家級研究課題，包括國家973、自然科學基金、企業創新專案等。

2010年底，建立了首家醫學科研諮詢和技術服務公司——百替生物（100BIOTECH），提出“引領醫學科研，提升國人健康”的企業願景。

郭磊博士總結了“醫學科研創新的六脈神劍”，是“科研5。0”的提出者和踐行者，“科研5。0”概念已被國內多個著名高校的教授、講師引入研究生課堂。