中科院格致论道讲坛

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：根据世界卫生组织的统计，每年死于流感病毒感染的人数是25万到50万人，尤其是免疫力较弱的族群──老人和小孩──受到严重的威胁！其他大大小小的传染病如：艾滋病、狂犬病、肺结核、SARS、登革热等等，也随着全球化、人货快速流通而散播地更广泛，可说是人人自危。面对这些如星星之火足以燎原的病毒，我们应如何保护自身的安全呢？科学家可不可能找出新的对策挽回受病毒感染而垂危的生命呢？在SELF讲坛，中科院的徐可将谈谈病毒学研究为人类带来的希望。

---嘉宾介绍---

徐可

中国科学院上海巴斯德研究所副研究员

以下内容为徐可演讲实录： 

大家好！我今天要讲的是病毒。病毒是最小的微生物，我们看不见、更不可能摸得到，那它到底有多小呢？我想请大家摸一摸自己的头发丝，人类头发丝的直径是一百个微米，也就是0.1个毫米，这是我们人类肉眼所能分别的极限。

我们人体的细胞也很小，它的直径大概是十个微米。我们已经看不见细胞了，可是病毒呢？病毒要比细胞小的多得多，病毒的直径只有一百个纳米，也就是我们头发丝直径的千分之一这么小，我们是万万看不到它的。

所以如果说现在的纳米科技是高科技的话，病毒早于我们人类几百年甚至几千年前，就进入了纳米时代。那这么小的一个东西，它如何感染我们人，而做到星星之火可以燎原的呢？

 我想请大家跟我一起回到15年前──也就是在2002年到2003年期间──我们国家爆发的SARS。我想问一问在座的各位，有没有那个时候在北京和广州生活的朋友？我当时就在北京。

我想大家一定还记得在2002年到2003年SARS爆发的时候，街上没有人，所有的板蓝根、所有的白醋都被抢购一空。我说的不是生化危机，我说的就是2002年到2003年，我们国家爆发SARS的情况。

 我们可以看到街上所有的人都戴着白色的口罩，可是刚才我说了病毒只有一百个纳米，这种白色的口罩能挡得住这么小的病毒吗？当然不可能！

 这里展示的是我们在研究病毒所需要的生物安全级别的实验室，这里有生物安全二级和三级，而最高的等级是四级。这张头像就是我本人，可以看到我为了研究病毒，不仅要戴上高防护级别的口罩，更是要戴上眼镜遮住我所有的皮肤，可见病毒学的研究是一项非常危险的研究工作。

我还想给大家介绍一种病毒，叫做登革病毒。也许有些人听说过，这种病毒是由蚊子传播的。我们都知道蚊子生活在热带地区，所以最初的时候就是这张地图显示的──1970年登革病毒只流行在赤道一些很少数的国家，这些黄色标记的国家。

可是我们看一看到2012年的时候，随着全球的变暖以及全球经济的一体化，我们发现登革病毒可以感染两种以上的蚊子，并且蔓延到热带和亚热带的很多国家。更可怕的是它来到了我们国家的南部多个省市，包括广东、海南、台湾等等。我想给大家一个数字，在2014年，登革病毒在广东一省感染了4万人。

如果这些病毒大家觉得不够熟悉，我今天要在这里给大家讲一个毒王。为什么叫它毒王呢？因为它在历史上杀死了最多的人类，我讲“流感病毒”也是因为我自己是研究流感病毒的，它也是杀死最多人的病毒之一。

 我们可能觉得流感病毒司空见惯，我们每个人每年可能都会因为感染流感病毒而感冒，可是我们一两周就好了呀，并没有什么嘛。可是也许大家并不知道，很多65岁以上的老人和小孩，由于免疫力很差，他们最初往往就是因为感染了一个小小的病毒而丧失掉了自己的生命。

根据世界卫生组织的统计，每年死于流感病毒感染的人数是25万到50万人，更可怕的是在我们的人类历史上，流感病毒造成了很多大的流行：比如说1918年西班牙流感在第一次世界大战期间一共造成了4000万人死亡；而第一次世界大战本身因为战争而死的战士，不过一千万。所以病毒比战争要可怕的多得多。

而其后在1957年到1968年，都发生过流感的大流行，死亡几百万人。我们最近常听说的H7N9，H7N9就是流行于我们国家长三角地区的禽流感病毒，目前也已经死亡达到几百人。

 我们虽然用肉眼看不见流感病毒，但是我们借助现代的电子显微镜可以看到流感病毒的真容。这张照片是我和我的学生在实验室里拍摄到了流感病毒感染细胞的真实图像。

最左边这个黑色的圆圈就是我们人的肺表皮细胞，很不幸这个细胞被流感病毒感染了，而且它的很大一部分都充斥着病毒。我们将这些被感染的部位放大，可以看到一个个小黑球，每一个小黑球就是一个流感病毒。

也许你觉得这张照片不够清楚，我就用一张卡通来给大家解释流感病毒长什么样。流感病毒其实就是这么简单，它就是一个小球，球里面是病毒基因；球外面是病毒的蛋白。在球外面的蛋白主要有两种：一种我们叫做H蛋白；一种我们叫做N蛋白。

而流感病毒就是通过H跟N进行分型──我们所知道的H7N9就是指7型的H和9型的N。可是这么小的病毒它却可以千变万化，因为它的基因组可以带来很多突变，所以我们目前有发现流感病毒的H一共有18种；而N一共有11种，它们之间又可以不同的组合，一共可以产生140多种流感病毒亚型。

更可怕的是，在自然界里流感病毒感染的是“鸟类”。在鸟类里，流感病毒并不致病，鸟类看上去就是一只健康的鸟儿。我们如果走出这个房间到户外看一看，我们遇到的数目最多的动物是什么？就是飞鸟。而这些飞鸟携带的流感病毒可以传播给其他的很多动物，甚至包括了海洋里的鲸鱼。

这张地图显示的是全世界范围内鸟类的迁徙路线，我们可以看到有人的地方，就有鸟。而流感病毒乘着鸟的翅膀，它不是从A地到B地，而是全球性的散播。所以没有人能逃过流感病毒的魔爪。

流感病毒在人群中是通过咳嗽或者打喷嚏来传播的。这些咳嗽和打喷嚏可以喷出很多的液滴，我们统计一下每一个液滴大概含有一千个病毒，如果我打一个喷嚏，我可以喷出4000万个病毒，而这些液滴可以超速的前进，以160公里每小时的速度前进，可以前进40米。这是一个什么概念？很不幸如果我今天感冒了，我在这里打一个喷嚏，这个房间里所有的人都会被感染。

通过第一个人打喷嚏，他喷出的液滴每一个里面含有一千个病毒，这些液滴在空气中漂浮可以前进40米，传播给第二个人，进入第二个人的呼吸道来到第二个人的肺部，感染他的肺细胞。流感病毒表面的H蛋白就是一把钥匙，它可以打开我们细胞表面的锁从而进入细胞的内部。

在细胞里面病毒脱掉它的蛋白外衣，露出自己的病毒基因。病毒基因被释放出来之后，在细胞里游走并且进入细胞核──穿过细胞的核膜进入了细胞核──在细胞核里流感病毒将自己进行复制，可以在很短的时间内从一个基因组扩增成上亿个基因组。

而这些基因组被复制出来之后，又来到细胞质中，利用细胞的各种蛋白质系统合成新的病毒。而病毒合成的速度相当惊人，可以成百万倍的复制。我们可以看到这个人可能最初只感染了一百个病毒，可是在2到3天之内，这个数目可以达到10亿或者上百亿。因此，病毒感染的治疗一定要趁早，及时就医和服药。

那么流感病毒它是如何实现如此快速度的复制呢？这也是我们科学家关心的一个问题。我可以打一个比方，因为流感病毒本身──任何病毒本身──都是没有生命的，他们只是病毒基因和蛋白的组合，而且它携带的蛋白是非常非常少的，它就好像是一个间谍，它来到一个组织的时候，它不能带枪不能带炮，不能被别人认出来。

它什么也不带，那枪炮从哪来呢？细胞给我提供。所以它来到细胞里之后就窃取细胞所有的蛋白以及所有的酶系统，为自己的复制而服务。

我们的科学家，包括我本人，就在实验室里致力于找到这些被病毒利用了的蛋白，我们通过一些实验手段可以实现这一目标：我们可以在小管子上将病毒固定，然后将细胞裂解抽提出细胞所有的蛋白质，通过这个小管子，那么可以跟病毒结合的细胞蛋白就被留了下来。

通过这些方法我们可以找到跟病毒特异性结合的细胞蛋白，而这些细胞蛋白在病毒的复制中特别重要。我们的实验数据显示这条红色的线，就是可以偷取细胞蛋白的那些病毒，它们生长的很好；而这些黑色的线，就是病毒不能够偷取细胞的蛋白，它们的生长就很差。通过找到这些蛋白我们可以发现全新的抗病毒的靶点。

 那么问题就来了──我们应该如何对抗流感病毒呢？刚才我也讲到，通过对细胞和病毒相互作用的研究，我们可以找到一些新的药物的靶点，在这里我就不得不提抗生素，抗生素我们每个人可能都吃过、都用过，那其中最著名的就是青霉素。

其实青霉素的发现也特别有趣──就像我们很多科学发现都源于对现实生活的细致观察──当时科学家们发现青霉素，就是因为在青霉的周围细菌不能够生长，从而发现了青霉素。

所以像抗生素之类的药物是对抗细菌的，它们对病毒没有任何一点作用。如果你因为流感病毒感冒，而你使用了抗生素，那对你的疾病没有任何缓解。

那么我们对抗病毒应该用什么药呢？我们有没有一个像抗生素一样的东西，可以杀灭所有的病毒呢？我们姑且叫它“抗毒素”怎么样呢？但是很不幸的告诉大家，我们研究到目前为止并没有找到一个很好的“抗毒素”。

 以前我们认为干扰素是很好的抗毒素，可是很多病毒都发挥出了自己的优势，来抵抗干扰素的作用。因此在实验室，这也是我的一个研究课题之一，就是寻找有没有一些通用的抗毒素？

 刚才我已经提到，病毒一定要通过细胞的蛋白才能进行复制，因此我们按照这个思路研发了一种抗毒素，我们叫它“抗毒素007”，是个特工，就是专门找那个间谍的。我们可以看到当我们用抗毒素007去处理流感病毒感染的细胞的时候，它比流感病毒的上市药物达菲效果还要好。

 另外我们用这种抗毒素007也处理了寨卡病毒感染的细胞──寨卡病毒最近也是受到很多的关注，因为在巴西导致了孕妇生产出来的胎儿有小头症。我们可以看到随着药物浓度的增加，寨卡病毒的生长被完全地抑制住了。所以请大家相信我们，通过科学家的努力，我们在未来很有可能得到一种“抗毒素”来对抗多种病毒。

还有一个特别有效的对抗病毒的方法，就是疫苗。我想我们每个人都接种过疫苗，包括我们自己、我们的孩子，可是疫苗到底是什么呢？谁能说出来？疫苗其实就是灭活的病毒，或者很弱的病毒。

这些病毒因为被灭活了或者很弱，可以很轻易地被我们的免疫系统识别，我们的免疫系统在病毒没有复制之前，就识别到了它，并且产生了一种叫抗体的分子──抗体呈一个Y字形，就是我们图里红色标记的这个Y字形的小分子，它像一把小叉子一样将病毒牢牢地插住，使得病毒不能够进入被感染的细胞，也不能够在细胞里复制，这就是疫苗的原理。

其实我们很多疫苗都是基于这样的原理而研发的。比如说牛痘疫苗，牛痘疫苗是怎么发现的呢？还是我刚才说的，也是源于对生活的观察。

科学家们发现那些挤牛奶的牛奶工，他们不会得天花，就是因为他们感染了牛痘病毒──牛痘病毒和天花病毒非常相近，但是它在人体里是一种很弱的病毒，免疫系统可以轻易的识别它，并且产生Y字形的抗体，这种抗体就可以使我们人类免受天花病毒的侵扰。这就是牛痘疫苗的发展史。

而其它的很多疫苗都是按照这样一个原理来研发的，因此如果我们想抵抗病毒的感染，就要在感染之前，接种灭活的病毒或者很弱的病毒，来激发我们的免疫系统产生抗体。

当然除了药物跟疫苗之外，我们应该感谢人类的进化，我们与生俱来的一个抗病毒的系统──那就是免疫力。免疫力包括我刚才提到的，我们的机体产生抗体的能力，也是一种免疫力。

免疫细胞就像一个清道夫一样，它可以在我们的血液里循环，找到那些外来的侵入者并且把它吞掉。这个大大的奇形怪状的东西，就是我们的一个免疫细胞，它在追逐着这个小小的黑颗粒就是一个细菌，也可以是一个病毒──但是病毒我们看不到，它不停的追逐它、坚持不懈直到把它追到，并且吞掉。

 我想在这一过程中，大家觉得我们的免疫细胞是不是很伟大？但是我们也应该注意到这个过程是一个极其耗能的过程，因此我们的免疫系统需要我们提供全面的营养、需要我们给予它们充分的休息时间，所以我也希望通过我今天的介绍，大家对病毒的了解、对我们免疫系统的了解，能够吃好、喝好、睡好、心情好，然后把我们的免疫系统训练到最佳的状态，来抵抗外源病毒的侵染。

那么最后我也希望大家能够多多支持我们的科研工作。我想我们的目的并不是消灭世界上所有的病毒，我们的目的是为了研发一些有效的药物跟疫苗，拯救那些因为病毒感染而意外逝去的生命，而这些生命可能是你、可能是我、可能是我们的孩子，也可能是我们的家人跟朋友。谢谢！

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导语：鸟类是由恐龙的一支演变而来是科学界的共识，但是庞大笨重的恐龙是怎么变成轻盈的鸟类？它是如何长出羽毛，又是怎么学会飞的呢？长久以来,科学家们都在试图寻找这些问题的答案。

---嘉宾介绍---

徐星

古生物学家

以下内容为徐星演讲实录：

大家下午好！我们知道恐龙的一支变成鸟类这是世界科学界大家认可的结论，在这个大的框架下，有一个困惑了古生物学家很长时间的一个问题，就是庞大的恐龙怎么能会变成轻盈的鸟类？怎么学会飞？

这是很困惑大家的问题。有问题就有人解决问题，这是我们每个科学家平时要做的事情。很多科学家想办法解决恐龙怎么飞翔蓝天这样一个科学问题。所以在过去几十年当中，提出很多很多的假说。比如说有人认为恐龙是通过奔跑，然后慢慢演化出自己飞行结构，然后让飞向了蓝天。然后另一种假说，飞行会在树栖动物当中产生，也就是动物会借助重力，来学会飞行，这从力学的角度是非常自然容易的。还有一些假设说有一些早期的恐龙在奔跑爬坡当中慢慢演化出翅膀，然后学会了飞行。不管怎么样，要回答这些问题，最重要的对古生物学的研究来说要找到化石的证据，我们每天工作不是每天都去找化石，我们工作很大一部分就是寻找化石证据，用这些证据解答像飞行起源其他一系列的古生物问题。

对于公众来讲很好奇，你们怎么知道哪里有化石？你们怎么采集这些化石的？对于公众来说我们在城市当中，我们看见的是钢筋混凝土，我们很难想象化石怎么出来的。大家想想自己要去哪个地方玩，我们首先查交通图，如果到广西，我要知道从北京到广西自驾车，交通图告诉我去到哪里，我们去海边要知道沿海有哪些城市，对古生物学家来说我们通过地质图知道这个地球表面哪个区域可能有哪类化石，这是作为恐龙古生物学家最常用的研究渠道。我们还有其他渠道也会告诉我们哪里有化石，一旦知道了这个区域以后，我们就会到这个区域工作。

这两张照片显示出了我们生活环境，大多数是戈壁沙漠地区无人区，我们每天工作很简单，早晨出去睁大你双眼在目标岩石当中寻找，一天也许走十公里二十公里，有人说你怎么走那么慢，对于找化石来说你走太快会错失很多的机会，这种漫长寻找是我们找化石最重要的步骤，如果运气好找到了化石，那么就要做一个判断，我们把化石采集出来，需不需要运回实验室。

我刚才研究的问题，恐龙怎么变成了鸟类？怎么演化出来的飞行？沙漠地区并不是合适的区域，一般典型的戈壁沙漠地区，岩石都在河里或者沙漠当中形成的岩石，比如说叫做泥岩或者沙岩，这种岩石当中没有我们需要找到的信息，我们知道恐龙变成鸟类最重要的结构是演化出翅膀，今天鸟类翅膀最重要的结构就是羽毛，在泥岩和砂岩当中很难保存羽毛的结构，所以我们换一个地方寻找化石。

我刚才讲了我们典型区域是戈壁沙漠地区，但是还有很多地方是可以寻找化石的，比如说北京的周边地区，大家去河北旅游走远一点到辽宁你发现那里有很多山脉不是很高，但你走近仔细看，你发现山脉当中有一种特殊岩石就是页岩，这对保存软体组织像羽毛痕迹非常有利。过去这些年，辽西和周边地区科学家发现很多很有意思的化石，这个地方找化石跟我刚才讲戈壁沙漠地区找化石完全不同的环境。辽西植被非常丰富，我们住在辽西农民的家里，一个炕我们住十几个人，晚上睡觉你可以听到什么声音，可想而知。

重要是我们在这样的地区找到我们需要的化石，这是1997年我本人第一次到这个区域寻找化石的场景，大家可以看见已经开始下雪了，我们挖的场景是一个化石坑，坑有很多冰楞子，非常寒冷的环境，条件非常艰苦，我们干了三四十天，但是非常遗憾没有收获。这样的野外经历我们经常遇见，你会很辛苦工作，但是一年下来没有什么结果，这对研究古生物学者心理上是巨大的考验。

非常幸运的是，我们在野外最后一天晚上来了一位农民，到我们住的房间里，告诉我们他在前一年在这个地区发现很碎的碎片，这些碎片有用的话可以给我们作为科学研究，我们当时想农民发现碎片会有什么用处，但是当我们把这些碎片拿回北京进行修理和拼接，我们发现这是非常有意思的化石，可以为我刚才讲恐龙飞向蓝天提供一点点信息。

这个碎片现在看起来很漂亮，但当时农民给我们时是几百块碎片，拼成以后研究以后我们发现它是长羽毛的恐龙，有一点遗憾的是羽毛还没有变成可以形成翅膀的羽毛，所以它给我们一点点希望让我们继续在这个区域工作下去。

随后第二年我们又来到这个区域，这一次我们是夏天来到辽西地区，因为冬天太冷了，我们在这里工作了70天，每天在周边挖掘岩石，寻找我们想寻找的对象，我们确实找到了一些化石，又一次非常遗憾的是我们像前年一样直到野外结束的时候，我们还没有找到我们想要找的东西，在野外几乎最后一天要结束的时候，我们发现又一块标本，这次这块标本让我们有机会回答恐龙飞向蓝天是怎么完成的，这样一个信息。

这个化石看起来也不是特别漂亮，通过研究、通过分析我们发现这块被命名为中国鸟龙的恐龙，前肢已经有了用于飞翔的羽毛，前肢已经可以像现在鸟类一样进行拍打，鸟类飞行拍打动作非常重要，这是让它从地面飞向蓝天非常关键的一步，我们知道在辽西这块有我们需要寻找的信息，从那以后每年来到这个地区进行寻找，希望找到类似的化石。

在1999年，我刚才讲我们第一次是在1997年、1998年、1999年，我们每年都来这里，1999年我们又一次来到这里，不是通过我们自己挖掘，而是我自己小的野外旅行当中碰见一个农民，他给我展示在他家后院发现的一块化石，这个化石不是很漂亮，但是非常有意思。这个化石非常小，如果把它整个身体复原起来可以站在你手掌上，这个特点非常重要。

我们知道庞大恐龙变成鸟类有一个关键的变化，就是身体一定要变小了，否则我们难以想象一个几十吨重的恐龙怎么样飞向蓝天，这个新发现的小恐龙的体重只有三四百克，小到足够能够飞向蓝天。这个恐龙在它后腿上长了非常粗大的羽毛，但是你发现在研究过程当中有很多问题出现，出现问题是非常非常好的事情。这种粗大的羽毛意味着什么？

我们看今天所有会飞的除了鸟类以外的其他动物，你会发现它们都有这样一个倾向，它会把自己身体体表所有部分尽量扩展出来帮助它飞行。比如说我们熟悉的蝙蝠，蝙蝠的翼不光像鸟类一样在前肢上，也会延伸到后肢上，我们叫做四翼状态，会飞行、会滑行的动物会尽可能把体表扩展起来进行飞行，只有鸟类例外的，鸟类前肢飞行后肢是用来奔跑或者行走的。

那么这样的现象导致在一百多年前，有一个学者就提出，可能鸟类最早也不是这么例外的，可能它的祖先也是经过这样的四翼状态。但是从来没有化石发现。

虽然这个小恐龙困惑我们一段时间，但是我们也没有意识到，我们其实站在很重要发现的边缘，所以我们其实错失了一个机会，但是过去几十年当中我们运气非常好。大家看到屏幕上展现的标本，这个标本显然跟前面标本比起来不仅漂亮、不仅更美，而且它保持了更粗大的羽毛，而且整个脚上长了羽毛，这样发现并不是我们独有的。

在辽西地区我们做工作，农民也做工作，除了我们还有农民做工作以外，还有其他很多研究团队也在做工作，在我们找到这个化石的同时，实际上另外一个小组已经发表了论文，针对几乎是一样的化石，当时他也发现粗大羽毛保持在脚上和整个的四肢上。但是现在鸟类完全靠前肢飞行，后肢用来行走的，现在大多数鸟类后肢是没有羽毛的，是由鳞片覆盖的。由于这个原因这个文章作者及研究小组认为化石上保存的羽毛一定是从前肢冲到后肢，然后保存成化石了，这是我们科学研究中常常遇到的现象，你会被你固有知识、定式思维引导到一个研究的方向去。

还有一个研究小组也研究了同样的化石，他们也在我们之前发表了论文，虽然没有说羽毛从前肢冲到后肢的，但是他们忽略了一个细节，实际上如果你仔细看化石上的羽毛，你会发现这个羽毛很有意思，它的羽毛更像会飞的鸟，也就是说它的羽毛是不对称的，图上有两种羽毛，一种是对称羽毛，一种是不对称羽毛，而这种不对称羽毛一般是和飞行相关的。这个小组认为保存这个羽毛的化石代表一只恐龙，恐龙是绝对不会飞的，所以他没有看见明显不对称的现象，也错失了一个机会。

虽然他们在我们之前发表了文章，但是给我们留下了研究空间。基于几乎同样的标本，我们提出实际上这个恐龙代表一个演化的缺失环节，叫做四翼恐龙，从鸟类变成恐龙一定要经过这样一个四翼阶段，而它后面脚上的羽毛也会像前肢一样，形成一个空气动力面，帮助恐龙飞向蓝天。

我们文章发表以后得到很多的质疑，得到了很多批评，对于古生物学家来说，反驳批评最好方法就是寻找更多的化石证据，所以我们必须做更多更多的工作，我们发现了其他一系列的带羽毛、长四个翅膀的恐龙化石，我们还找到了另外一些更有意思的化石，这个化石不是在野外找到的，而是在山东一个县级博物馆来找到的，叫做山东天宇自然博物馆，这个博物馆收藏了世界上最多的带羽毛的恐龙和早期鸟类化石，我们在这里也找到了一系列的标本，包括早期鸟类的标本，我们发现这个巨大的羽毛在早期鸟类当中也存在，不仅在腿上存在，而且也像恐龙一样也在脚上存在，这说明早期鸟类跟恐龙一样也长四个翅膀。

综合这些所有的证据你会发现，恐龙变成鸟类确实经历这样一个阶段，早期它们生活在地面，慢慢它上树了，然后演化出四个翅膀，然后随着它的飞行能力越来越强，它前面的翅膀越来越发达，后肢的翅膀退化掉，于是变成我们今天熟悉的鸟类，仅仅用两个翅膀来飞行。

我刚才讲的这段科学经历，实际上是2014年度被美国科学杂志列为年度十大科技发现鸟类起源中非常最重要的一部分发现。我们能取得这个发现有很多很多的因素，这种因素有个人的，也有其他方面的。举个例子说要取得这些重要的发现，对一个科技研究者来说你辛勤付出，你的兴趣是非常非常重要的。

像我本人自己虽然现在是资深的古生物学者，化石对于我来说是生命的一部分，我每天很长时间都在跟化石打交道，如果没有化石我没有办法想象自己的生活，但是我从上大学到读研究生我都是恨这个专业，不喜欢这个专业，我的研究生涯像一个老式的中国的婚姻，进入这个领域后发现这是很有意思的方向，

所以我想在座很多未来要走向自己职业生涯、科学生涯的年轻一代，一定要记住这一点，其实兴趣是可以后天建立的，一旦建立了兴趣以后，做有兴趣的工作会激发你无穷的能量，这种能量让你付出去、去做出伟大的发现。当然科学的发现还需要其它一系列素质，你不能拘于定式思维，你要注意细节，还有其它一系列的品质，最终你才能做出一个好的科学，这是我想今天跟大家分享的，谢谢大家。

“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组[email protected]联系。

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：我们平时身体出小毛病，吃的是经过证实有效的“仿制药”，但事实上还有好多未满足的临床需求，像是癌症患者，因为没有得到有效的治疗而丧生。所以这势必需要研究、开发“创新药”来解决医学治疗的困境，在SELF论坛上，让中科院药物研究所的沈竞康带我们看看未来的创新药可以做到什么？

---嘉宾介绍---

沈竞康

中科院上海药物研究所研究员

 以下内容为沈竞康演讲实录：

各位朋友下午好，首先请允许我问你们一个问题，至今为止，在你的一生中，从来没有吃过药、从来没有接触过药的有没有？请举手。一个都没有，那么我们的缘分就有了，我们从药作为缘分来共同讲解今天的故事。

白求恩同志是加拿大共产党员，不远万里来到中国，帮助中国人民的抗日战争。大家很熟悉这个故事，但是，大家知道他最后讲了一句什么话？他最后讲的一句话是“我不能亲眼看到新中国成立了，但是我相信新中国是一定会成功的。”

为什么？原因是他在当时治疗伤员的时候，没带手套把手指割破了，如果今天没戴手套，在外科手术室里边是违规的。但是，在那个特殊年代割破了手指，接下来还有一系列的病员等着治疗，这些伤员又都有感染，其中还有一个链球菌的感染。

接下来这一系列的感染造成白求恩医生感染，得了败血症，最后生命垂危离开了我们，所以有了这么一个故事。如果说在当时有足够的青霉素，白求恩就能够看到新中国的成立。这是我想讲的第一段。

我们在很多的电视连续剧或者故事中，看到过去有很多的地下党、地下交通站，地下交通站干什么？三件事情，第一个送人，把我们的抗日青年、地下人员送到解放军区；第二个送武器，武器问题还不大，我们可以从敌人手里夺；第三件事情要运送我们的药物。

在农村缺医少药的年代，我们因为没有药会碰到很多的问题，我自己手上至今还有这个伤疤，也是和白求恩当初得的同样的病，败血症，就是一个小小的感染，整个右手臂里边，全部变成化脓。我比白求恩幸运，我能够回到上海，那个年代在上海的话还能够得到治疗。

那么我们看前十几年，2003年SARS爆发的时候，这种大规模的、传染性的疾病，带来多大的困难、带来多大的恐慌，所以药物对于我们来说，是维护我们的健康、维护我们的民生、维护国家的安全、维护社会稳定不可或缺的一样非常重要的物资。

说了这么多药物，药物有多少种？我现在简单地说，药物只有两类：一类是仿制药，一类是创新药。何为仿制药？就是这个药已经存在，不管它在哪里销售、在哪里上市、在哪里使用，但是它已经存在。这样的药在它的专利到期以后，合法把它制造出来，然后通过药品监管部门批准，把它推向市场、推向临床给病人使用，这样的药就是仿制药。

那另一类药呢？是和仿制药不同的，就是说这个药从来不存在，我把它创造出来提供临床使用，推向市场。这一类药和前面的仿制药在功能上有什么根本的区别呢？仿制药是已经经过证实的、非常有效的一种药物，可以治疗疾病，所以我们用这样的药非常的放心，也非常的价廉物美，可以满足今天的临床需求。

但是今天的临床需求都满足了吗？当每一个病人到了医院的时候，都想得到最好的治疗，每一个人都想长生不老、都想起死回生，但是事实是严峻的、是不可能的。

为什么？其中有一条，我觉得是我们的责任，因为我们没有给医生提供足够的武器，医生没有武器让他怎么上战场？让他怎么把病治好？那么解决这样的问题就是我们现在不断要追求的──去研究创新的药物，去解决临床还没有满足的需求。

我们来看看在全球这些年新兴的市场──中国排在新兴市场的第一位──我们在整个药物的产值和需求上面有大量的上升，我们大概占了全球的30%左右，但是我们不要忘记发达国家占了60%以上。在我们的30%中间，仿制药物占了大概65%；而发达国家在70%左右的医疗市场上面，仿制药占了18%。这是两个完全不同的数字。

美国现在仿制药也在不断的增加，他们这些年由于品牌药的专利到期，所以原来一些品牌药现在变成了仿制药，这些仿制药能够解决临床今天的问题，所以被继续的使用。

而且美国大家也知道，不管是民主党还是共和党，始终都存在一个非常严峻的问题，就是它要解决健康的问题，因此经济承受着巨大的压力，所以要降低它的医疗的成本。

美国现在仿制药占处方量的88%，创新药即品牌药还在专利保护期的只有12%，但是从价值来讲，六百五十亿美元的是仿制药，那是占处方量的88%；而3110亿美元的，是用于12%的处方量份额的。那么从这里，我们就看到了一个问题：就是创新药和仿制药有着不同的作用，创新药和仿制药有着不同的价值。

那么你们又要问我问题了：我们为什么现在还要研究创新药呢？你刚才不是说白求恩当时如果有青霉素的话，他就能够看到新中国成立了吗？其实问题是在不断的变化，当青霉素很好的抗击那些病菌的时候，病菌在不断的变化，所以现在耐药的抗生细菌又产生了，我们就需要有新的抗耐药的抗生素去解决问题。

那么我下面再举一个例子，大家比较熟悉的肿瘤，也是大家现在最恐慌的一件事情。当肿瘤发生的时候，过去用什么药？我们大量的用化疗、放疗、手术，手术继续需要使用化疗，化疗药也继续在使用。现在没有完全改变，但是那个时候的化疗带来一个什么问题？

因为化疗是杀死那些长得特别快的细胞，肿瘤是我们的身上长得特别快的细胞，当到了我这个年龄的时候，不可能每年再长一寸，然后长到像姚明一样高。为什么？因为大部分的细胞不是快速分裂繁殖了，而肿瘤是快速生长的细胞，我们抓住了这个特点，在当时的科学的基础上的认识，就是消灭掉快速生长的细胞，来消灭肿瘤。

但是我们不要忘记在我们的身上，除了肿瘤细胞之外，还有很多正常的细胞：比如说我们的血液系统、免疫系统、粘膜系统，都是快速生长的一些细胞，在杀死肿瘤的时候，这些细胞也受到了伤害。

所以我们会看到在肿瘤化疗的时候，我们白血球下降，免疫力下降。而这样的疾病正是需要我们有更强的免疫力去进行自动防卫的时候，这样的损伤是对肿瘤的治疗不利。

 所以在这样的研究基础上，不断的生命科学的发展、基础医学研究的发展给我们带来了启示，在这里边有一些和肿瘤非常密切相关的因素，这些我们叫它通路、机理。

这些机理上面有一些物质，这些物质和肿瘤的增殖密切相关，在正常的细胞中间非常少或者不存在，如果我们把这样的路给它堵住了，那么它就不能走歪门邪道只能改邪归正，这样的治疗是否能带来更大的好处？

在上个世纪的最后几年，上市了几个药物：格列卫、易瑞沙、赫赛汀。赫赛汀是一个抗体，前两个都是小分子药物。易瑞沙是它的商品名，吉非替尼是它的通用名，如果你是仿制这个药物，那你就仿制的不是易瑞沙，仿制的是吉非替尼。这类的药物上市给我们带来了什么机会？它所作用的是表皮生长因子受体，如果把这条通路给它堵住，一部分肿瘤不能够生长。

美国2003年这个药批准上市，但批准上市以后，在美国卖得不好、效果不怎么样。深入研究发现：在亚洲不吸烟的女性中，有相当一部分的病人是EGFR──也就是表皮生长因子受体发生了突变，这一部分突变的病人，当她使用易瑞沙、使用吉非替尼的时候，它就变得特别有效。

当然这是一个进步，进步以后还有新的挑战，新的挑战是──当这样的病人用了它两年以后或者用了一年半以后，相当一部分的人发生了其中一条道路的耐药──这个受体又发生了突变，就是EGFR又发生了突变。它的突变的50%以上的病人，是在T790M的位置上面发生了突变。

这样突变以后的话，原来有效的药变成没有效，所以新的药物研究又要开始。那么前些年阿斯利康一个新的药物又上市了，叫奥希替尼，奥希替尼上市以后，对T790突变的这一部分病人变得有效，所以我们和肿瘤的斗争看来还是永远没有揭晓。

今天已经讲创新药物这么有用，创新药物给我们带来这么大的变化、有这么大的价值，那接下去大家会又要问问题了──创新药物怎么来啊？怎么做啊？大家有很多的耳闻。那我想这里，我只能简单说一说，最早的是“神农遍尝百草”。神农尝百草就是以人去试药的毒性，最后得到了一些我们现在在用的中药。

当然这些中药在现代的研究过程中，又在不断的发展，随着时代的进步，用人去尝的代价太大了。所以我们用动物去做研究，动物造成疾病的模型，以动物去试这个药的安全性，然后把这个药最后用到人身上去，这样的话减少伤害。所以我们在这里我们要向为人类健康做出了贡献的动物致敬，因为它们为我们做出了大量的贡献。

随着分子生物学、细胞生物学的研究，再进一步的发展，就后来就发现了这些都是有很深入的机理的，光是用动物研究还不够，那么再深一步是什么？要用分子水平、细胞水平。

在分子水平上，我们能够清掉一条通路，就按照这条通路里边的蛋白，药物怎么样起作用，然后我们再过渡到动物的进一步的验证，然后又通过人来确证。把一个确证了安全有效的药物再推向市场，让广大的病人来受益。这个就是药物研究从古代到现代发展的变化。

现在我们已经不断地讲：作用到和疾病相关的一个通路上面的一个分子，这个分子是什么？这个分子就是我们今天说的靶标，也是我们在药物研究中间说的这个靶标，这个靶标可以是一个生命体内的一个大分子，也可以是致病源的一个大分子。

所以我又想简单化地把我们的疾病分成两类，一类是内源性的；一类是外源性的。就造成疾病的因素，一类是外源的──刚才说白求恩是碰到了外源性的疾病，因为他是细菌对他的感染；而肿瘤是一个内源性的疾病，是内部的肌体发生了变化而产生。那么这两种疾病都有一些分子，这些分子和疾病相关，药物和它作用了以后，能够产生效应的，我们就称为靶标。

这些靶标，我想用这张图来讲会非常生动，这张图中间的──别把它看成是一个平面的、是一张纸──这个靶心是一个电子的靶心，当击中靶心的时候，冰嘣！结果是什么？

当冰嘣的时候，首先亮光闪起，每个人的眼睛开始注视这个，然后声音响起，整个环境中间都产生了一个效应──这个效应如果发生在身体体内，如果这个靶标是对着药物作用、和疾病相连的话，那么这样的效应就可以达到药物的治疗的效果。

这个飞镖就是药物分子。那么我们怎么样去寻找它呢？寻找的过程，前半段是刚才邓博士说到的，我们生命科学的一些基础研究，这些基础的研究从DNA开始到RNA等等，是生命科学的一个前期的研究──发现靶标。我们真正的药物研究是和前面密切相关的，但是我今天要说的药物研究是从“靶标初步确认、一个潜在的靶标已经存在”开始，最后走到一个药物上市的过程。

这样一个药物发现过程，我们首先是要让飞镖飞上去，这个飞镖不是一个，是一百万个、两百万个。最后打中的，我们再往后研究。所以这时候产生新药的第一步，在我们这个俗语中间叫“先导化合物”。

这样的先导化合物它还不是药，它还没有很好的、能够成为药的特性，所以我们还要进行改造，改造完了以后，我们首先要在动物上面证明它的疗效、证明它的安全性，然后我们在临床上面一期一期的、按部就班的、循序渐进的来证明它的有效性和安全性，最后通过监管部门的批准来上市，所以这样一个过程就是我们药物研发的过程。

我想大家可能已经听到过很多像是“10000个化合物出1个药”这种说法，10000个化合物出什么？就是从我们先导化合物的发现开始，可能总结下来统计意义是10000，不是每个药都是这样，但是统计意义是这样，然后在先导化合物的优化的时候，它就变成了200多个到500个，然后上了临床是5个到10个，最后上市的药是1个──这就是10000个到1个的故事。

那么时间大家也都听了──十年到十五年的时间，前半段的大家看到了是三年到六年，后半段六年到七年，最后还有审批的半年到两年的时间，所以总的时间就是十年到十五年。

我现在再举一个例子，刚才已经说到了EGFR的抑制剂，吉非替尼用了以后，一年半到两年这些很有效的这些病人又产生了耐药：其中一个是突变；另外一条路是旁路启动──原来不活跃的、不起主导作用的，因为主路被堵了，所以辅路开始拥挤。这个过程也是EGFR被药物使用以后，造成了耐药的一条途径。

这部分的途径也就是干细胞生长因子受体被激活，而且是过度的表达，这部分的表达，用原来的药变得没有效。这是我们工作的一个例子，我们也是从大量的化合物中间首先发现了最小的一个分子，这个分子活性是不太强，然后我们用结构生物学、计算机辅助设计、化学合成，最后经生物活性的再测试，测试了以后把它活性提高了一千倍。提高了一千倍以后，它对着这个靶效果挺好，但是没有冰嘣的声音，打上去“懵”的一下。

那么这个过程是什么？因为它的效应没有产生，所以这时候只能说还不是真正的先导化合物，在先导化合物和候选化合物之间。然后我们进一步的活性优化以后，得到了活性真正提高、在细胞上面有作用的。再进一步的在动物体内进行研究，在一系列的功能验证了确实是这么一种机理，把它临床前的工作全部做完，这个药才能够进入临床实验。

进入临床实验有四个非常重要的要素：第一个“申办者”，如果我做研究，我申办；如果是一个企业做研究，他申办者要做这个研究；第二个是“有接受这个实验的志愿者”，在一期临床的话，除了肿瘤，都是正常人，然后肿瘤是病人，其他的二级、三级、四级，是病人来进行。其中还有“医学研究者”，这是由临床研究的。另外一个非常重要的部分是“伦理委员会”,要控制所有的实验在伦理上是不是合适的。

这样的话，我们在一期的实验中，从小剂量到大剂量，从单次给药到多次给药，最后来证实了这个潜在的药物的耐受性和初步的安全性。然后第二期临床开始了，这一次伦理委员会要重新来批准，然后受试者重新的来自愿，然后填写知情通知书以后，精心的来参加到这样的研究中间来，然后这一期主要是来证明——你原来在动物上的有效性，是否在人身上也有同样的有效性？

那么再进一步做完了以后，还要扩大临床、扩大人群，延长时间，来获得有效性、安全性的进一步的数据。还要观察，因为往往病人他不是只吃这种药，他除了这个病还可能有其他的病，那么和其他的药物在联用的时候，会有什么问题？这些问题都搞清楚了，充分的把所有应该解答的问题都解答完了，然后向监管部门提出申请，来批准成为一个药物，这样就是一个药物的全过程。

这样一个全过程我们为什么失败这么多？因为在临床一期的时候，成功率——统计前十年的结果——全世界成功的只有百分之六十几；而我们通过二期临床的成功率是百分之三十几，加在一起的话，大概20%左右。这个20%在三期临床的时候，还要淘汰掉40%左右，那么剩下了大概还有10%左右。

最后要申请上市的时候，还得要考虑它的风险和得到的利益——从现有的药物和新的药物之间，它得到了什么新的利益——以及对整个社会各方面的影响。所以最后上市的成功率——就是说我们临床的成功率不到10%。

我们虽然大量研究的是肿瘤的药物，但肿瘤的药物至今为止也是成功率最低的——只有百分之五点几。那么临床失败的主要的原因来源于什么？是来源于“有效性是否真正证实了比现有的治疗手段更好？”、“安全性是否能够保障我们的病人在治疗的过程得到安全的有利因素？”那么，我想我们的有效性和安全性是从开始发现的时候一直走到最后。

那么我在这里想举一个例子，讲一个丙肝。丙肝过去好像不太重视，我们只重视乙肝，但是丙肝其实在全世界是一个比较大的问题——有1亿多病人——中国占了3000病人，这些病人中间有相当一部分发生肝硬化，还有一部分发生肝硬化的代谢失常，这部分病人要比肝硬化带来对生命的危害更大。

还有一部分是造成了肝细胞的肝癌，肝细胞肝癌平均第一年发现以后，他的死亡的可能性就有33%，那么这样一种严重的后果必须从源头上面开始治疗：丙肝有6种基因型，有50多种亚型，是一个非常复杂的疾病。

在我们现在的药物发现之前，我们已经发现了这些靶点的研究，开始做这些药的时候，在2013年之前所有的这些药物都需要和干扰素合用，最好的是干扰素和利巴韦林的合用，要治疗48周到72周，有效率只有40%~70%，而且副作用很大。

所以在这样的基础上，2013年12月批准了一个药叫索氟布韦，它是12周的治疗，虽然每片药要卖一千块美元一片，但是它12周的病毒学的应答率是90%，所以说这一部分病人在不用干扰素的情况下，能够得到的有效的治疗是非常大，所以它上市第一年就创造了年销售额100亿美元的一个奇迹。

但是前面说的六种基因亚型中有两种基因型的病人治疗不好，是这个90%以外的部分，所以在下一个年度又有“哈维尼”，它就是把索氟布韦和另外一个药又做成了一个复方，这个复方在治疗了八周以后，它的有效率提高到94%，而且基因亚型的病人开始扩展。

但是还是有一个问题，因为有一部分人即使在得到了初步的治疗以后，还是会有病毒继续感染，所以在这样的基础上又进行进一步的研究：在2016年的时候，“伊柯鲁沙”上市了，这样一个复方使得六种基因型的病人在12周的治疗以后，都能够得到清除，然后得到了有效治疗。

它和我们现在的乙肝有一个很大不同，这个药的发现整体上可能我们就可以消灭未来的丙型病毒性肝炎，所以这是在治疗上面非常重要。从有效性上面来讲，是一个非常好的故事。

那么从安全性来讲，也是一个非常重要的事情：临床前——在进入接触到人之前——我们再也不能以人来试毒、以人来试药了，所以就是从分子水平到动物水平不断的来进行研究，我们从小动物到大动物、从单次给药到多次给药，甚至是六个月到九个月连续的给药，在动物上面要看到它是安全的，我们也要明白我们加高剂量可能会发生毒性。

这没关系，我们治疗剂量还是在安全范围内，但是在加高剂量发生毒性的时候，它毒性主要出现在什么地方？它的毒性靶器官是什么？它的机理是什么？这样的毒性是不是可逆的？如果是可逆的是我们是可以挽救的，这样的话我们在病人治疗的时候、在临床前的试用过程中间，我们是有手段的；不然我们这个化合物只能停止在这个阶段，它永远只是一个化合物，它不可能成为药物。

那么我想告诉大家，即使一个药物上市以后，它还是有这样问题，所以我们也在不同程度的、不断的提高监管的水平和监管的质量。

这是一个故事，1957年在德国发明了一种药叫反应停，反应停这个药在中国也曾经使用过，大家比较熟悉。大家想一想，当妇女妊娠的时候，妊娠反应恶心呕吐，把胆汁都吐出来的那种，不但是病人的痛苦，病人的家属在边上也受不了。这个时候如果有一个非常好的药，吃了以后让她能够顺顺利利的度过10月怀胎、产下来她的小baby，这是多么高兴。所以在当时这个药是孕妇的理想选择，多少病人感激涕零、多少家庭感恩戴德。

但是事情很快的就发生了变化，三年以后就来状告这个公司了，说因为我产下的小baby缺胳膊少腿——我们叫海豹肢畸胎——这样一些畸胎的产生，在整个世界上当时就产生了1.2万人，所以这个药马上停下来了。

而美国有过非常偶然的一个机会，有一个刚刚进入美国食品药品监督管理局工作不久的一位医生，叫凯尔西，她反复看了这个资料以后，认为提供的安全性资料不够充分，所以她迟迟拒绝在美国把反应停上市，也因为这样美国没有发现大规模的海豹肢畸形的儿童，只有个别的人直接从欧洲买了药，自己带回来到美国服用，这部分的病人中间产生了少数的海豹足的畸胎。

所以这里也告诉我们一个非常重要的事情，我们千万千万别到国外去随便把一个药买回来，我们的药品是有专门的监管的。在中国监管部门监管的这个药物是安全的、有效的，如果有问题你是可以去追溯的。所以凡是没有得到它所管辖部门的药品监管部门批准的药物，都是伪药和假药，这是一个不能够否认的事实。

也因为这样，凯尔西医生在1962年的时候得到了美国总统奖。当时美国总统肯尼迪启动了哈瑞森修正案。这个修正案就是在一个药品上市之前，必须要充分的披露药品的安全性、有效性，还必须在上市以后不断的让大家知道这个药品。

但是在中国，我觉得我们每一位今天在这里听的人都有一个责任，当你使用一种药——如果这种药，在过去的说明书上面没有写清楚它有这样的副作用，而你身上发生了这样的副作用，你要报告。

因为我们有一个不良反应的专门的报告制度，通过这样的报告制度，才能够不仅在一个药物上市之前经过严格的控制，药物在上市以后，我们还能够继续的跟踪，不让一个能够危害健康的药物继续的在市场上存在，然后让我们的健康得到更好的保障。

最后我想用丙型肝炎的药物的发明人，也是药物化学家索非亚博士——索非亚博士去年得到了美国的拉斯克奖，得到拉斯克奖以后，中国的药明康德采访他，采访了他以后，他最后有了这么一段话：如果我们都有一点在大量的失败以后的、小小的幸运，我们能够对人类的健康、对人类的治疗带来福音，那这就是我们最大的安慰，我想也就是我们最大的能够奉献给今天所有在座的各位！谢谢！

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：一百年前的北京天空清澈、绿荫如盖，出于对中国环境状况的极度忧虑，为了让北京的蓝天白云、绿水植被重新回到我们的城市中间，李皓辞掉博士后的工作，走向社会成为环境科普志愿者。长期行走于国内外多个城市的李皓，在SELF讲坛分享了中国城市环境的发展变化，并且提倡身体力行，为城市多填一抹绿。

---嘉宾介绍---

李皓

环境科普专家 独立学者

以下内容为李皓演讲实录：　　

我大学是学生物化学的，1986年我由中国科学院成都生物研究所派到德国汉诺威研究院独立研究所免疫生物学实验室进修。1986年中国的经济还很差，所以去了有个疑问，为什么那些是发达国家？为什么比我们好？

1990年我利用到英国爱丁堡参加欧洲免疫生物学年会的机会游览了苏格兰地区，此次旅行使我的价值观起了根本的改变，使我有了两点感悟。

感悟之一是财富和奢华只能鲜光一时，难以持续。在苏格兰有很多古城堡，有一个庄园三百年前非常兴旺，但是彻底废弃了，可以想见当时是非常奢华的。

我去爱丁堡的时候，欧洲已经进入后工业化时代。后工业化时代最明显的标志就是大家对摩天大楼已经不再感兴趣，认为那个东西是不可持续的，价值观就开始变化了。

这个价值观的变化最主要体现在哪里？不是在想成为什么公主和国王，而是向往能与纯洁的大自然和谐共存的安宁生活。我到苏格兰北部，他们就告诉我，旅游旺季的时候很多人蜂拥而至，因为苏格兰的水舀起来就能喝，这是世界上很多地方没有的。

这个时候我再回过头看中国，德国同事跟我讲，中国很美丽，美丽在哪里？在中国能看到很多人与自然和谐共存的美丽和智慧。中国北京是一个古都，有很多古建筑，古建筑旁边住了人，人住的地方旁边有湖，水还是清澈的。

我的同事、教授赞扬中国有一个最实际的例子，说中国古人没有给我们留下垃圾，我们现在挖出来的都是古董，没有垃圾，但是德国不敢，他们挖出来的说不定是一百年前埋的工业垃圾，他们对环境的不安全感是非常严重的。

这是1990年前后德国收纳垃圾的填埋场的面貌，很多垃圾填埋场都填满了。但看这个填埋场很多硬纸壳都填了，我同事说听说中国不是这样，我说是，中国这些硬纸肯定拿去卖钱了，他说这是非常好的解决垃圾的办法。

资料来源：德国环境部

在交流的过程中，他谈到德国汉诺威在1994年就开始实施垃圾分类，我问他这个思想是从哪里来的，他说是从中国来的，中国废品回收来的，垃圾分类投放分类收集，不需要都往垃圾填埋场运，还可以得到可再生资源。

这是我在德国居住的社区周边，已经安放了不同的容器，绿色的放塑料，棕色的放树叶，不同的公司来清理，都拿去做了资源化处理。

但令人困惑的是，1999年我回到北京的时候，北京的环境污染情况已经很严重，很多食堂都采用一次性的餐盒，一次性的筷子，产生了严重的垃圾污染问题。

这条路是通往中科院计算机网络信息中心大楼的路，垃圾堆的很高，几个月都没有人清理，这种情况在科学院园区随处可见。

中科院社区也是垃圾随便堆着，甚至环卫工人都没法处理，晚上点把火就烧了，那些垃圾里面还有塑料的饭盒筷子，燃烧了就会产生毒气。

一开始我辞掉博士后的工作，去成为一个环境科普志愿者，去给大家讲道理，为什么垃圾不能乱堆？为什么不能点着烧？给大家讲垃圾分类投放。

我给北京市长写信，也跟北京市管委联系，我说能不能把垃圾分类投放，当时说不行。一些媒体报道了我的观点以后，就有比较热心的社区，比如西城区大乘巷的家委会，来找我说能不能试行一下，我就用700块钱买了三个红桶，做成装废塑料、废纸、废玻璃的垃圾桶。

当时居委会调查，有30%的人同意试点垃圾分类投放，70%的人不愿意。但是一个月之后，我悄悄回访，打开盖子看塑料桶，干干净净的全是塑料。所以我认为30%的人对垃圾分类投放的认真态度与德国民众没有差别，参与的都很积极，不愿意参与的也不破坏，所以我对中国的老百姓充满了信心。

通过媒体的报道和政府的支持，2005年我再回访1996年这个试点社区的时候，发现垃圾回收已经正规化了，周围的植物已经长起来了。参与垃圾分类投放的人增长到90%。

社区居民还把我们刚才看到的一片黄土的院子全部用来栽种植物，环境质量大大的提升。这是社区人民自己干起来的。到了2013年的时候，北京的各大食堂普遍已经告别了一次性餐具。这是我一路走过看到的进展。

那什么样的环境才宜居？关于环境质量，大家记得四个要点：空气质量达标，水质达标，食物安全，绿地达标。另外，昆虫要吃各种各样的植物，如果都是单一的草坪，没有生物的食物来源，就没有生物多样性。

所以如果我们关心环境，你一定要关心这几个方面。比如说在北京，北京的空气，北京的水体，北京的土地，因为食物是土地长出来的，还有就是物种，植物还有动物，如果这几个状况都比较好，那么你生活的城市的环境质量就达标。

当然你会问国家有没有规定？中国宜居城市的科学标准对环境质量有几个要求：一年365天空气质量不能有一天三级以上，饮用水必须百分之百达标，污水处理率百分之百，生活垃圾百分之百无害化处理，此外城市的工业固体废弃物处置率百分之百，绿化人均的公共面积标准是每个人10平米，城市的绿化覆盖率标准是35%是植被地带。

国际上认可的环保城市，无非就是这五个标准：空气质量好，水资源保护好，垃圾资源化处理，绿化是顺应自然的，没有明显的热岛效应。

什么叫城市热岛效应？城市的温度比郊区、农村要高好几度。热岛效应会带来很严重的问题？高温的热流会让大家排放的污染物难以沉降。高楼林立的城市非常容易出现热岛效应。所以高楼林立绝对不是令人骄傲的标志，是几十年前大家不懂环境保护的产物。

纽约是全世界最先建摩天大楼的城市，一百多年前就开始了，那么它为什么现在热岛效应少了呢？

你问纽约的人，他们会讲我们感谢有个中央公园。纽约中央公园150年前就开始建了。中央公园有很多通道，但没有车道，这片林地差不多有五个故宫这么大的面积，中间还有个大水库，所以纽约感谢中央公园。

为什么公园能解决热岛效应带来的问题呢？因为公园植物多，有助于空气冷却。我们刚才说高楼林立会导致上下空气都很热，没有温差，空气就不流动。如果地表有植被，它吸热率高，可以有效降低气温，空气就开始流动，天上飘浮的这些颗粒物，随着冷空气往下走，经过树叶的过滤再上去就比较干净了。

有一本书叫《漫步中国》，是一个美国人20世纪20年代到北京住了两年写的一本书。他在第一章京城之家就写了：“北京的冬天和夏天都是天高云淡，确实是一个好住处，既使在冬天刮上刺骨的北风，只要能瞥上一眼北京的天空，亦是一种莫大的心灵慰藉。不久前春天的一个阳光明媚的星期天，我绕着城墙逛了一圈，墙下是绿树掩映下的城区，平民百姓的住宅院内树木复苏，花草茂盛，整个北京从高处望去，绿荫覆盖。”这就是一百年前的北京。

现在的北京，老城墙看不见。我就到钟楼上去看北京的一些老城区，果然还传承着绿荫如盖的面貌，这些都是四合院老百姓种的大树，长起来连成一片，老百姓就生活在树下，这就是北京以前为什么没有雾霾的原因。

建设宜居城市从社区做起，不要老等政府。2001年我回到德国看到弗莱堡一个旧军营改造成的宜居社区，沃邦居住区，这是个旧社区，也是个很受欢迎的一个绿色社区。

沃邦社区很有名，它是欧洲最低碳的社区，这里70%的居民是没有车的，他们出行大部分靠自行车，还有拉着自己的推推车到商场还水瓶，大家不愿意用车。

在屋顶上有大量太阳能的光板，或者集热器、透光的窗户，所以沃邦整个居住区主要使用可再生能源。

沃邦有一些很有意思的设计，大家出行基本上依靠有轨交通，就在绿化带里面，有两条轨道，解决大家到城市里的交通问题。这个绿化带里面有很大的草坪明沟，有了水就排到草里面去。

这个社区的绿化植物全部是居民自己种的，每个居民负责自己门口的区域，你可以种花也可以种草，只要是绿色的就好。社区鼓励大家绿地绿化，不光是好看，还能帮建筑表面隔热。在社区里，玩得比较好的朋友还可以一块儿建房子，但是房子一定跟周围的居民房子保持一致高度，而且房子的形式要获得旁边居民的认可。

这是投放垃圾的地方。这个设计有两个目的，一个是低碳，另外一个就是促进人们的沟通。所以社区楼与楼之间一定有一块绿地场所，这些绿地场所让大人和小孩儿来这里玩耍、休闲，所以这个社区的居民关系非常融洽，有些家庭妇女成了社区的托儿所，这就是现在欧洲或者是德国最提倡的绿色社区。

宜居城市为什么要社区开始？我们到北京规划展去看，每个社区就是城市的细胞，每个社区绿起来，这个城市才能绿起来。现在有些社区已经开始动员老百姓，自己把门前的荒地种出来，种成美丽的小花园，社区小环境的空气就净化了，还能吸收降水、调节气温。

这些水从哪里来？尽量利用屋顶的雨水，屋顶的雨水往绿地流，减少绿化用水。而北京现在很多社区都已经放了垃圾分类投放设施，那我们每个人要尊重他的要求，分门别类的投放垃圾。而现在北京好多老百姓的屋顶上、窗户外，也有了这样的太阳能装置，这样的话你有了太阳能热水器，你的热水就不必依赖其他的化学能源。

所以北京的蓝天白云绿水植被会重新回到我们的城市中间。

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：世界上约16%的人正遭受着抑郁症的折磨，在中国每年有30万人自杀，其中抑郁症是最主要的原因，留守儿童、育龄期女性、老年期男性都是抑郁症的高发群体。抑郁症到底是一种什么样的病？来自浙江大学医学院的包爱民教授在SELF讲坛的舞台上，分享了抑郁症的症状及治疗方法，并且提倡建立中国人自己的人脑库，为抑郁症人脑研究助力，为子孙后代带来健康。

---嘉宾介绍---

包爱民

浙江大学医学院神经生物学教授

以下内容为包爱民演讲实录：

大家下午好，我叫包爱民，我来自浙江大学医学院。

今天我们很快乐地在这里开一个会，分享科学的发现、进展，一起非常乐观地去展望未来，

但是我们也不要忘记刚才主持人所提到的，这世界上还有大约16%的人过着非常不快乐生活，他们悲观或者沮丧或者绝望，这就是我们听到的抑郁症。

抑郁症它已经不是一个罕见病，而是一个常见病了，我们或者看到过或者听到过这样的病例。你看屏幕上所显示的两位我们非常喜欢的演员，一位是中国香港的张国荣先生，一位是美国的电影演员罗宾·威廉姆斯先生，他们都是才华横溢的人，他们塑造的荧幕形象令我们难以忘怀。

比如说张国荣先生在《霸王别姬》里所塑造的程蝶衣，以及尤其就我个人感受来讲，罗宾·威廉姆斯先生他演的《死亡诗社》那位老师，那位激励学生去发挥自己的天赋、创造力、独立性的那位老师。

还有一部电影更让我难以忘怀，就是《Awakenings》，也叫《无语问苍天》，他扮演了一位我们的同行——一位神经内科大夫，非常地平凡非常地默默无闻，但是他有着非常坚定的信念——坚决不向疑难的脑部疾病低头。

他观察到了一种非常奇怪的疾病，并且当时是多巴胺——新的一个化合物刚被认识的时候，他就大胆地去使用这个药，顶着来自权威的压力，跟患者的家属保持一个很好的沟通，去征服它。

这样的一些英雄形象其实都是激励了我们科学家的，但是生活中，像张国荣、像罗宾·威廉姆斯都罹患了抑郁症，最后都选择了自杀，所以这个病实际上可以影响到我们每个人。

那么它到底是一种什么样的病？就像前面仇子龙先生所说的，目前这些脑部疾病，由于我们的科学发展还没有到揭清它的真实的一个疾病标志的这么一个状态，所以你如果到了临床，你会发现医生是根据症状在给你做诊断。

屏幕上所显示的九种症状，包括这样的抑郁情绪，包括比如说快感缺失，比如美食、爱情、人际关系、包括亲子关系，包括工作、创作，这些平时能给我们带来愉悦感的，在他看来都没有了，觉得对什么都提不起兴趣。

并且活动能力下降，有的人整天呆在沙发上，或者有的人躺在床上，没有任何的活动力的样子，缺乏能量的样子。另外工作中无法集中注意力，工作的效率严重下降，还有失眠，还有他们自己也感觉到，这样的生命有什么意义呢，不如结束，所以他们中很多人选择自杀。

注意，当这个病人去看病的时候，在这种九个症状里要达到五个及以上，而持续两周，你会被诊断为抑郁症，所以这可以解释，首先这五种以上的症状的组合可能在很多病人并不一样，所以大家虽然都得了一种病叫做抑郁症，但是大家发病的脑区或者是里面的分子改变，导致这些症状的改变，组合可以不一样。

第二点抑郁症还有不同的类型。我们来看一下，一个非常常见的、可能听众们都听过的类型叫做躁狂抑郁症，也叫双向情感障碍，或者叫双向障碍。得了这样的病人就是在刚才的抑郁的症状之上只要出现一次，哪怕只有一次躁狂状态，躁狂状态是一种什么样的状态？就是病人感觉洋洋得意，自我感觉非常地好，好于众人，比如说众人皆醉我独醒，我超越你们。

另外他可以忙忙碌碌，他可以工作，创造力、精力全部是旺盛，他可以不用睡觉，很少需要睡眠时间，这样的病也不一定是忙忙碌碌而一事无成。大家看屏幕上所显示的这位患者，著名的德国作曲家罗伯特.舒曼，他就罹患了双向障碍，大家看这是横轴，显示的是他最后将近30年时间他的作品数和作品号，每个数字都是他的作品号，以及作品和情绪之间的关系。

大家看1833年他处于一个非常抑郁的状态，甚至企图自杀，这一年他只有两部作品。然后到了1840年，他进入一个轻度躁狂时期，大家看他的作品数量急增。接下来他的情绪又向抑郁走去，到了1844年他又患了严重的抑郁，在这一年他根本没有任何作品。接下来又循环向一个躁狂的状态，我们可以看到1849年他又有大量的作品。

这个病也很严重，像这样躁狂、抑郁、躁狂、抑郁是反复循环，并且频率逐渐地增加也就是周期缩短。到了1854年，他企图自杀跳到莱茵河里，被旁人救上来，但是接下来的治疗并没有明显的效果。1856年他绝食，死在医院里。

所以大家看这样的一个疾病，对病人、对家庭、对社会导致了一个巨大的痛苦。除了刚才所说的这些，我们还听说过产后抑郁、围绝经期抑郁、冬季抑郁等等，这些都是一些什么？抑郁症的亚型或者叫其他类型。

抑郁症的终身发病率现在已经到了10%—15%， 很高，它是所有疾病中自杀率最高的一个疾病，可以高达15%，另外世界卫生组织预测，到2020年可能抑郁症要成为仅次于心血管疾病的人类的第二大疾病杀手，或者是社会的疾病负担。

那我们再看一下我们中国，在中国实际上也有些统计数据，最近还可以在网上看到抑郁症患者八千万，如果你根据中国的人口数量去分析一下，你就会觉得这个数字似乎只是世界刚才我提到的15%—16%的三分之一，那么是我们中国、我们的政府和我们的医生对抑郁症患者治疗得更好吗？辨别得更清楚吗？

不是的。大家知道抑郁症属于一种脑部疾病，或者叫精神障碍，它在我们国家是严重地污名化，说句不好听的话骂人神经病或者精神病，这是骂人的话。但事实上，这个病不应该被这样污名化，不应该属于一个禁忌话题，它应该是我们脑这个器官，和胃和肝脏和肾脏是一样的，发生了疾病而已，我们应该像看其他病那样的及早去重视起来，及早地去找医生去治疗。

去污名化也是我们今天站在这和大家交流的一个主要原因，因此在这样一个状态下，我们国家的年自杀率达到30万人，这个数字是西方发达国家的三倍，这就意味着这些病人没有得到很好的诊治造成的。

其实几百年来已经有一些发现，首先抑郁症是具有遗传性的，如果在一个家族里，你发现跟你有血缘关系的人罹患了抑郁症，那你要注意，你可能处在抑郁症的一个风险，不是说你肯定得，但是你的风险因子增加。

大家看美国的阿米什人的人群调查，白颜色这个上面显示了他的家系分析，或者叫家谱分析，这上面黑颜色标记的都是这个家族中的抑郁症患者。

那么还有童年期或者是幼儿期他所遭受的这些经历，比如说忽略、虐待，包括性虐待或者是打骂，或者创伤，童年期的一些创伤，比如说战争、比如说地震等等。

忽略这件事我想再强调一下，因为这个在我们国家实际上是一个比较严重的问题，大家都注意到农民工进城打工，把自己的子女丢在家乡身后，请注意如果丢在后面的这个孩子，没有得到比如说爷爷奶奶或者其他亲戚温暖的关爱，及时给予教育去激发刺激他们的大脑的话，等他们进入成年期，他们这批人抑郁症发病率增加。

当然我们的政府已经重视到这个问题，大家知道我们政府的政策里现在是有着改善、解决农民工子女进城，跟父母在一起上学等等这样的一些举措，我觉得这是非常明智的举措。

另外抑郁症的发病和年龄和性别之间也有关系，大家看身后这张图，在儿童期的抑郁症里，男女没有一个明确性别差异，但是进入育龄期，什么叫育龄期？就是女性她月经期开始一直到她绝经期前这一段时间，是她具有生殖能力的时期对吧，我们称为育龄期，育龄期的女性和同年龄阶段的男性来比的话，她的抑郁症的发病率是男性的两倍，这样一个性别差异到了绝经后，逐渐进入老年期了消失。

甚至还有研究发现，男性的老年期的抑郁症发病率似乎又高于女性，这个中间又是什么原因呢？科学家包括我们组的研究，已经显示了育龄期女性外周的性激素的波动，大家都知道每月月经周期、产前或者产后、或者围绝经阶段，都有明显的性激素的波动。这些性激素是影响到大脑的一些功能的调节，在大脑中我们也有跟性激素完全物质相同的化合物，但是它在脑内叫性甾体，那么它们是对我们脑内的情感相关的调控系统和应激反应调控相关系统。

其实有时候我们生活中遇到压力、遇到打击等等，这都是在科学上的，有时候说这是应激，而我们身体对这些是做好了一些准备的，我们有一个长期进化过程中，所建立的叫应激反应调节系统，stress-response system，当然我们还有一些情感，尤其是高级情感建立的这样一些系统。

那么行至此，我们抑郁症有没有什么好的治疗方法了呢？大家也听说了抗抑郁症药物，就是最常听说的，我们早一点把病人送到医生那去，为的是获得这样的药物。第二点认知疗法，有时候也叫心理分析对吧，心理治疗师在跟你做一些很特别的经过专业训练的，不仅仅是做思想工作，这么样的一种辅导。

还有现在科学的发展已经有了一种叫经颅磁刺激，它用的是这样的一个磁场，外加的磁场，改变你大脑里面的神经环路的运作。还有不知道大家听说过没有叫光线治疗，用的是特殊的治疗灯，或者是走出去让日光照射你的眼睛，有一个在眼睛后面的脑部的核团，它是我们的生物钟，在抑郁症中它功能紊乱，它也是失眠和其他的节律紊乱的一个重要原因，所以用光照来重置这个生物钟等等。

不过要注意的是所有这些治疗仅对部分患者有效，不是对所有患者都有效，这是为什么原因？其实我前面已经给了大家一些提示，细心的听众可能注意到，我提到过不同的症状的组合，我提到过不同类型的抑郁症，是的，我们大脑里面就是以这么一个复杂的环路，就是神经环路在运作着，这前面很多科学家都说到了，我再简单地说一下，我们大脑里一千亿个神经元，胶质细胞的数量是神经元数量或相同或者是我们的9倍，因为不同的科学家还在继续研究这个数量的差异。

然后刚才仇先生还提到了突触这个概念，就是像个钮扣状的神经元和神经元之间的联系，这样的联系，这样的联系每一个神经元上有一千到十万个，什么叫神经元？就是神经细胞，你可以看到我们的精细。最令人印象深刻的是，这些神经元被神经纤维联系了起来，这个神经纤维在我们脑中缠绕了十万公里，所以这是一个非常复杂的结构，这个结构分担着我们人脑的很多的调控功能，这其中就有一个高级情感和我们的应激反应等等，还有其他也是介入到抑郁症发病机制来。

所以我们就可以举一个例子，因为现在科学家已经发现在这样的环路中，不同的脑区，有时候或者你把它喊成是不同的节点，或者你把不同的化合物或者分子当做节点，发生了异常，每个病人并不一样，我们的人脑发现就是这样。这一些病人对吧，化合物A比如说或者分子A有了一个病变，但是它并没有B的病变。但是另外一批，而且另外一批和这一批还有一个重合，它们发生了分子B的病变等等。

再举一个例子，我在这里把中国的高铁地图放在这，然后你就会注意到，我们国家的高铁已经是非常精密了，但是我们人脑中的这种网络要比这样的网络复杂了千万倍上亿倍都不为过，现在我们来说一下，有些小站火车进、火车出，传递着信息，也扮演着很重要的功能。但是有些站，比如说上海站，它是一个枢纽，它是一个具有重大意义的，类似的还有北京还有杭州还有更多的枢纽站，我们大家都能理解这个概念。

现在我们假设，假设上海这个站出了问题，它就不是它自己的问题，因为它是一个枢纽，它会使得所有跟它这相关的这一批的脑区都发生问题，而此刻若是你去修整北京站，这是无效的，倒过来也是这样。

所以我们的抗抑郁药物如果是针对上海站的就会起效，如果我们此刻用一个针对修理北京站的来处理上海站的问题，就不会有效果。这只是一个简单的比喻，真实的情况还要复杂，因此科学家该怎么研究？

我们刚才已经从前面的科学家的汇报中已经深深地理解动物对我们的贡献，我们也非常感谢它们，我们神经科学脑科学的知识发展到今天，基于科学家对这些动物，从啮齿类动物到灵长类动物的一个观察，对它们的细胞功能、分子之间作用机制的一个洞察，我们甚至可以推测出，有一些疾病发生在哪。

但是可以理解的是，像这些高级我们这种灵长类的，这种智能这种情感，用这个动物非常难以继续研究。比如说啮齿类动物的鼠，现在一个叫做研究情感，害怕、快乐、极度快乐等等，你会看到它的表情是一样的，或者说它没有表情。还有人脑中抑郁症整个发生的这个经历，包括基因、包括它和年龄和性别之间的互作、包括他幼年期的这些处置，组合起来来看，很难在一个动物脑上反映出整个病程。

那么有没有可以在人脑上看对吧。大家知道现在医学家、神经科学家和工程学家和物理学家，已经发明出了越来越精密的脑影像技术，我们已经可以非常清楚地看到抑郁症的人脑，哪些脑区发生了变化。除了在动物和这样的人脑的一些研究上得出的共同的结论，例如说额叶，尤其是前额叶，例如说杏仁核，例如说缰核，例如说下丘脑这些，我们脑部的一些重要的一些结构发生了问题，但是它的局限性在于它无法看到分子层面，无法看到具体的化合物改变。

所以我觉得这是非常符合逻辑的，大家可以和我一起推论的，就是接下来我们该怎么办。不知道大家有没有听到过人脑库这个概念？人脑库也叫人脑组织库，它也叫Brain bank，听上去像脑银行，因为它和库的区别，就是它不是仅仅是收集脑展示，不是这个目的，而是收集好了每个个体去世后向脑部所捐献的大脑。

比如说有抑郁症的大脑，还有没有得抑郁症甚至没有得任何脑部疾病，当然可以得其他的身体疾病，比如说得过癌症得过心脏病，但是大脑是很好的，没有任何脑部疾病，用它来做对照。因为你需要知道抑郁症中发生了什么，你还是要知道没有抑郁症的人肯定没有这个。

死亡后火化前，把大脑取出来，捐献给脑库的话，那么脑库可以建立一个系统的储存诊断，然后发送给科学家，就像我们在座很多非常优秀的神经科学家去研究，所以脑库的具体工作很简单，其实就分三个部分。

一是宣传动员，因为我们得把这样的一个知识、这样的一个需求告诉民众，看看你们能不能理解我们对于这个脑研究样本的需求，要不断地沟通，然后做好一个登记，不可以在去世后我们两个再来讨论这件事了，那个时候你处于极度悲伤，你可能会说不行，我们必须在生前很冷静地想一下，这样的一件事有什么意义吗？有什么希望吗？如果想清楚了呢，我们在生前做好登记工作，然后在捐献过以后，脑库有工作人员做好分切，注意不是把整个大脑送给科学家，科学家会根据自己的研究目标，比如说我需要研究海马，我需要研究刚才说的前额叶，我需要研究缰核等等，只把这样的部分给他。

那么还有呢就是做好一个神经病理诊断，这一点特别重要，因为这个时候是神经病理学家或者神经病理学医生，他在自己的肉眼直接对这个大脑做观察，以及显微镜下观察，为你做出一个最后诊断，这个诊断往往可以纠正生前的误诊，生前以为你得了抑郁症，实际上最后发现你其实早就开始了AD，比如说老年痴呆等等，就不是抑郁症而是AD。

最后是最重要的，要以非常动力化的方式、积极的方式向科研人员发送这样的研究标本，这样的科学人员是有资质的，非常有基础的，他们写出的标书是假说很有基础、很有前途前景，他们所涉及的研究的方案很合理可行，他们所获得的预期的结果可能会对征服抑郁症有效，这样我们才会发送，决不会说把这么珍贵的礼物随便地送人。

那么在中国应该说，我们已经落后西方国家建脑库三十年左右，他们已经比我们早了25—30年，建立了这种规模很大的脑库，这是和民众的教育、理解以及传统习俗有关，在中国大家注意到，我们是一个人口方面有优势的国家。另外我们这个脑部疾病高发，我们都感觉要迫在眉睫地解决。但是由于传统几千年的丧葬习惯，有些地方还说要保存完尸等等。

可是近年来，随着科学普及、教育水平的提高，还有就是我们国家对于遗体捐献、器官的捐献等的宣传和支持。人们正在改变观念，我们相信通过教育、倡导，通过国际科学合作，我们虽然脑库建的晚，但是我们将来的规模，我们所含有的标本的量应该是最好的。

 我们也当然希望有朝一日，能向仇子龙这样的科学家提供其实是自闭症的人脑，如果自闭症的患者们有这个想法，或者是家属，那么我们的这个研究也许会再跃进一步。

 所以这个库存是非常完备的，既可以有冰冻，也可以有石蜡块，这个过程在我看来，是一个让我们大脑重生的过程，事实上你已经死了，你这项捐献的行为应该说对你本人没有什么意义了，但是它的意义在哪呢？就是若是你的大脑能够被科学家去进一步研究的话，我们为子孙后代的健康或者是幸福带来一个希望，所以我们经常说捐献出的大脑是一个给未来的希望。谢谢大家。

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：地球正面临种种考验：疾病、缺粮、人口膨胀、生态失衡、能源危机，我们的下一代怎么办？科学家提出用“基因工程”力挽狂澜！在SELF论坛上跟着中科院邓子新“解码DNA 趋利避害”，寻求生命的出路。

---嘉宾介绍---

邓子新

中国科学院院士 世界科学院院士 美国微生物科学院院士

以下内容为邓子新演讲实录： 

尊敬的各位嘉宾、各位朋友，大家下午好！下面我首先介绍一下我自己，我叫邓子新。

 今天就由我来跟大家解码DNA。大家对DNA可能并不陌生，我今天解码DNA就将分三个部分：第一谈一谈“DNA是生命之水”；第二谈一谈“DNA是祸福之源”；第三我们再来谈一谈“趋利避害是我们解码DNA的天职”。

 我们人类历史上经历了多次的工业革命：第一次的工业革命是1765年诞生了蒸汽机，把我们带进了蒸汽机的时代；第二次的工业革命主要是以半导体为标志的，带我们进入了电子时代；进入了信息时代，是1946年美国人发现的第一台电子计算机为标志的，那时候的计算机跟我们今天手上的手机或者一个手提电脑，是非常的不一样，那个时候的计算机可能要占我们这个房间的1/4甚至是更大的空间，可能重量的话有好几头大象重，但是不管怎么样，这台计算机的诞生把我们带进了信息时代。

 那么第四次的工业革命是一场什么样的革命呢？1953年 Waston & Crick发现了DNA双螺旋的结构，可以说是开启了生命科学的新时代，这也就是生命科学的这一次工业革命的开展。随着DNA双螺旋结构的发现，到了1956年ArthurKornberg发现DNA聚合酶，1966年发现氨基酸密码子，然后1970年发现了限制性内切酶，1975年研究出单克隆抗体，到了1982年第一个基因工程的药物──也就是重组的人胰岛素被FDA批准上市，进入1983年PCR技术发现以后，可以说使我们今天的生命科学和生物产业发生突飞猛进的变化！

 到了1990年的时候人类基因组计划启动，到了1997年克隆的多利羊诞生，这个世纪的初期人类基因组计划，整个的测序就完成了。所以这些活生生的生命科学的发展，有很多是诺贝尔奖级别的结果，使得我们今天的生命科学可以说是迅猛的发展。这是一个全新的时代！

 那么我们回过头来看一看DNA是什么？实际上DNA从化学结构上来讲，我们把它叫做脱氧核糖核酸──是G、A、T、C，4种碱基在体内核苷酸，再加上糖基组成双螺旋的结构──就是这种结构编码了自然界千变万化的遗传现象，可以说是构成了我们今天生物界无穷无尽的遗传信息之源。

 所以我们后来了解到DNA实际上是遗传的物质基础，它编码基因转录成RNA再翻译成蛋白质，这个叫中心法则。这一个法则使得我们知道基因的作用和意义，每一个基因都控制着生物的遗传性状，一个基本的单位控制一个遗传性状，而若干基因构成一个生命体的基因遗传信息的总和，我们把它叫做基因组。

 DNA除了基本结构之外，还可以进行一些修饰：有的修饰是发生在碱基上，叫做DNA的甲基化。这个甲基化最初是作为细菌防卫自己的DNA，不被外来生物的DNA所侵袭，所以给自己的DNA戴一个帽子，所以它编码了限制内切酶，就不切它自己只切外来的DNA。后来发现原来这种标记非常的重要，基因的转录、翻译以及基因的表达、调控都受到甲基化的控制，所以出现了一个新的学科，也是得了诺贝尔奖的学科，叫“表观遗传学”。

除了DNA碱基上的甲基化以外，刚才主持人也提到有另外一种修饰，我们叫做“硫修饰”，这也是有幸作为我的团队攻克了20多年的一个成果，从一个漫不经意、司空见惯、比芝麻还要小的偶然现象，最后阐明是在DNA的结构上有一种新的元素整入而且在DNA的骨架上，我们叫做“磷硫酰化”。

这个磷硫酰化有很重要的生物学意义：可以作为一种全新的细胞的防卫反应；也可以抗氧化、抗酸、抗碱、抗压力；可以促生物细胞的生长……还有新的意义逐步的在发现，所以我的团队现在也还是在这个领域非常的忙碌和开拓。这一个修饰就是把DNA骨架上五种蛋白合力，把DNA上面这个半胱氨酸或者是硫酸根的硫，从无机的转移到DNA的骨架上面，是复制后的一种修饰。

为什么说DNA是遗传物质基础，而不是蛋白质呢？实际上我要告诉大家一个最经典的──阿菲瑞做了一个转化实验──他当时用蛋白质转化小鼠，生物不得病，而用DNA转化小鼠的时候，就产生了致病的效果！他们用DNA转化，同时用蛋白酶把蛋白切成碎片，不致病，就说明DNA在起作用。而当在DNA和蛋白的混合物里头，他把DNA用DNA酶切断的时候，小鼠仍然不生病。所以，从此证明了这样一个伟大的概念──就是“DNA是生命的物质基础”，所以现代生命科学就依此诞生了，就是以这个结构的揭示揭开了序幕。

DNA编码了色彩斑斓的生命世界：这个世界有人、有大猩猩，也有小得不能再小的病毒、细菌、真菌，也有像完全灭绝的恐龙，我相信它也是DNA编码的，还有可能已经绝迹但是可能仍然存在在泰国的我们叫猛犸，俗称长毛象，这种可爱的动物；有可爱的大熊猫、滇丝猴、有传说中的野人；还有像中华鲟这种可爱的鱼；当然还有植物里面：像银杏树、珙桐，也就是俗称的鸽子树 ；还有桫椤这种木本蕨类的植物……繁华似锦的生物世界，还有长寿千年的龟鳖的家族，它们可以本能的遗传繁衍、可以长生不老；还有一些植物可以生活在非常贫瘠的土壤，可以在沙漠、可以在盐碱地上本能的适应；还有的可以有一些通过神经控制的应激的反应──像某种植物它可以伸开它的背膀正常的生活，当有一个虫侵扰它的时候，它会把翅膀束起来把昆虫包被起来，非常的神秘！所以我们说DNA是生命之水。

但DNA它也是祸福之源，DNA的自然恐怖我想大家都知道──流行性的疾病──联合国的世界卫生组织说这个世纪的，其实2010年可能有一百多种流行性的疾病，不光是感冒、禽流感、SARS、埃博拉……许许多多的，包括早期肺结核等等。这些都严重地威胁我们人类的生长、生存和发展，这些细菌看起来都很小，但是它们造成的危害，造成我们今天的生物安全和社会安全，是非常大的问题。

我尤其要提到像狂犬病，因为这是我们国家发病位居世界第二的，一个死亡率最高的一个病毒传染病，但是我们知道像养狗养猫，又是我们今天的宠物，所以我们要如何找到今天我们又要防病防害、又要饲养宠物的平衡点？所以社会的控制，必须提上议事日程。

除此之外，还有的微生物引起许许多多的，有1700多种的植物病害，每年造成我们数以千万这种级的农业损失，可能40%，有水稻纹枯病、小米的赤霉病、玉米的小斑病……各种不同的，包括瓜果蔬菜人参，可以说是不一而足。还有一些微生物的恐怖，实际上是人为造成的，我们也必须加以认识：包括克隆人、克隆动物，有害的动物和有害的植物，或者是微生物，这些是我们要加以管控的。

尤其是像基因武器，如果控制得不好，它可以比核武器有过之而不及！因为基因武器的研制，相对来说也不是那么复杂，因为它可以根据现在的一些病原菌以及根据一些稀有的、不同民族的一些基因、民族专一性的一些基因、敏感性的、易感性的基因，就很容易制造出来，生产的工艺很简单、生产量又大，又没有辐射又没有污染，成本也低，所以说是非常可怕的，而且是人为的，所以说从这个意义上讲，我们要保护我们民族自己的基因，要保护尤其那些易感性的基因不被国内外或者是恐怖势力所利用。

另外，在今天的社会里头还有众多的食品、药品的安全问题，可以说处理得不好，这是我们人类在自我犯罪，像苏丹红、瘦肉精、地沟油、毒豆芽，还有毒酒、假酒、硫磺姜……等等不一而足，这种都是我们人类活动在自己危害我们自己，我们必须要自我约束、自我管控。我们对自然的危害我们可以通过科学的解决，对这种社会的、人为的危害，我们如何来对付、来应付？这是包括我们今天在座的、包括科学家和社会，共同要意识到和认知的问题。

当然DNA也是财富。像“根瘤菌”──花生、大豆、苜蓿根部都可以结很大的瘤，这些瘤可以固定空气中许多的氮，它产生像硫酸铵这样的肥料，所以不用施肥就可以生长的枝叶繁茂，氮的很大一部分都是靠这种生物固定的；还有有些细菌──像“假单胞菌”──它可以把寒冷空气中的一些水雾凝聚成为雪花，可以来装点我们的江山；还有一些细菌它可以在含钙的环境中间形成钙的微晶体，你想它可以保护古建筑，看这样美丽的色彩实际上都是细菌在这里起作用，形成了微晶体。

到“转基因”这个方面，像农业的转基因食品，更是超出了我们今天生物自有的一些固有的有益性状：像保鲜期长的番茄、抗除草剂的大豆，还有抗虫的棉──就是把苏云金芽孢杆菌的Bt基因转进去以后，就可以杀死棉铃虫，不要再施什么抗虫的农药；还有抗虫的玉米，也是把Bt毒素基因放进玉米里，它可以抗玉米病；还有抗除草剂的油菜；还有像抗病毒的木瓜，某些蛋白可以克隆到这种木瓜树里边去。在动物方面，可以工程化凝乳酶，它产生的这种酶可以使牛奶凝固。还有像我们一些生长激素的基因，可以把它放到牛、马身上，使得他产生更多的、有益的制品。

新一代的基因产品里头，今天可以说是已经形成一个基因→一个品种→一个产业的格局。我要给大家举个例子，像“黄金水稻”，我们知道在非洲很缺乏维生素A，而引起像失明、小儿的一些疾病，而当地维生素A的话，还不是一个很便宜的药，不是一般人用得起的，那如果把一些产生维生素A的前体，像胡萝卜素，有些基因给它装进去水稻就可以产生这种前体物质，这以后可以协助合成维生素A，吃了这种水稻就可以解决非洲的麻疹、痢疾和双目失明的一些问题。还有人工的草皮，我们今天草皮生长也很慢也很低，我想大家进入了一个环境，如果长得像芦苇荡一样，你也不愿意进去，这些转基因的草皮生长又慢也不用经常地割草，可以美化我们的环境。

还有像番茄、香蕉这样一些水果里边，如果把有一些蛋白或者DNA整合到里面去，它可以产生像痢疾、肝炎、麻疹这样的一些疫苗，我们吃了这种水果就可以免疫了，就不用再打针、打疫苗。还有像植酸酶，把这种酶植入到玉米里边去，可以做成动物的饲料，植酸酶它可以在细胞里头帮助消化吸收形成动物所需要的营养。还有向日葵，把草酸盐氧化酶的基因转到向日葵里边去，可以抗霉菌。

还有我们可以把像蜘蛛织网的一些基因放到绵羊皮里边去的话，子弹都打不穿！所以像今天的抗草甘膦的种业里头，是把草甘膦的有些抗原基因放进去，就形成了一个产业。就说动物、植物都可以进行这种育种，我就不再举这种例子了。

另外，我们知道传统的动植物的改良，可以通过把鲫鱼、鲤鱼的卵取出来注射到金鱼卵里面去，实际上是把它们的messenger  RNA注射到受精卵里头，就可以形成鲫金鱼和鲤金鱼，这是传统的动物育种。今天的DNA技术的话──就是所谓的动物基因工程──可以创造新的物种，改变物种，赋予它一些全新的性状，可以用于动物器官的移植，解决我们人体某些器官移植时候的不足。还有些遗传的疾病，像我们要了解它是单基因控制的，还是多基因病，然后可以进行基因治疗，包括像癌症、心血管、脑血管、精神病、糖尿病、风湿病，还有免疫性的疾病，血友病，色盲、白化病……等等很多这种疾病。

遗传性的疾病可以通过知道它的机制、知道它是单基因病还是多基因病，可以进行追根溯源、进行基因治疗。“换基因”，这是治本的。现在生物技术还增强我们的健康水平，像疫苗，我刚才已经讲了，还有我们可以“工程化”某些微生物，本来产某种酸破坏我们幼儿牙齿的釉质，如果这种微生物改变以后，放到牙膏里去的话，这种产品就不会有这种破坏作用。对一个小的微生物的改造可以形成新的生长、产业的增长点。

那么我再稍微谈一点药物，像“青霉素”可以说是现代药学的奇迹，尤其在二战期间拯救了成千上万的士兵的生命，我们也知道在二战在中国战场上青霉素也是比黄金都要贵多少倍，后来发现这种微生物很多的都产生，植物也产生一些抗细菌、抗真菌、抗病毒、抗糖尿病、降低胆固醇……应用越来越广泛。但是在发酵过程中又有DNA一些病毒可以来捣乱。

今天这个药物的市场可以是经济价值非常之大，药物品种有一百多种，每年的话市值都超过了300亿以上，占整个药物市场要超过20%。有十余种单品市值超过10亿美金了。

我们了解了DNA、了解了它的利和害，我们“趋势避害”是我们今天所说的要“解码DNA的天职”。我们地球今天面临着很多的威胁、人类的挑战很大，因为能源的危机、 资源的危机，食品、药品还有生物物种的消亡……这都是给我们人类提出了巨大的挑战，地球也是石化资源开始短缺、环境越来越恶化，这些化石的资源都是不可再生的，迅速枯竭而且产生大量的二氧化碳气体排放到我们这个地球的空间；还有焚烧垃圾、还有环境的污染。

我们今天大量的碳资源都不可再生，当然都是农副产品，没有充分利用，全球每年有1700亿吨的生物质，利用率只有3.5%，我们如果能够把它利用率改变成5%，我们就可以好比说用它生产柴油或者石油，今天我们整个全球的石油的总量都可能达到。

我们每年生产的7亿吨的秸秆，其中2亿吨都是就地焚烧的，而且这种就地焚烧的话，要靠农业生物技术来改变它。我们今天很多的产品像通过生物炼制、发展细胞生物工厂来进行生物催化，把这种可再生的生物生产过程中的副产品，变成能源产品、生物材料、化工产品，像有一些这个洗涤产品、化工产品，都是有益的。

我们生物能源上面可以生产各种不同的液体的燃料──像乙醇──我们用它替代汽油；生物柴油作为柴油和航空燃料的替代品，但是这些产品，像乙醇附加值低、也容易腐蚀这个储存的设备、也不能管道运输……等等很多的问题，而且生物柴油也是植物油和天然气、甲醇反应得到的，有一些问题。所以发酵法生产柴油现在可能是出路，但是这个原料也是我们赖以生存的粮食。

你像2006年美国大肆的发展这个生物油，使得整个的玉米的需求量增加，价格上涨76%。所以发展的方向是要用微生物的方法来改造代谢途径；用合成生物学的方法，而且要发展种植非粮的原料。

另外，把环境中间大量的有毒有害化合物，像二恶英、多氯联苯、多溴联苯醚……等等，靠微生物把它转化成为二氧化碳和水。人类活动产生了很多焚烧垃圾，每年有很多垃圾被焚烧，所以这种活动还要靠我们人类活动自己来制约。最终都要靠微生物技术来把它降解成为二氧化碳和水。

像尼古丁，我们知道对身体是很有害的，抑制神经中枢，可以是说是麻痹我们的心脏，还有血压升高等等，有一种微生物它就可以降解它，使得它变成二氧化碳和水；石油也是污染环境，海边的生物身上都是一身油，根本就无法生存。微生物废水处理、土壤环境的修复，现在就是要构建超级的微生物，使得它生长快速，把很多降解环境废物的基因都整合起来，使得它超级地对付这个地球上的一些严峻的污染。

所以新的疾病不断地出现，我们今天还要发展“合成生物学的技术”，使得他通过，就像今后的药物的产生，就跟摆拼图一样，我们把这些基因跟它的化学结构进行分解，分解成各种不同的模块，然后这些模块的基因功能了解清楚以后，就把它放到边上去，拼图块一样拼出某种臆想的药物，像某一个药物改变一个羟基的结构，颜色发生变化、功能发生变化，所以这都是今后趋利避害的方向，所以说合成生物学是有广泛的前景。

 我们说生物学家和工程师联合起来，对生物进行重新布线和编程，若干年以后我们就可以生产更廉价的药，为汽车提供绿色的能源，为治疗癌症……等等医学责任，提供技术支撑和手段，改变我们生活。

 听下来我不知道大家被说服没有？这个世纪确确实实这是个生命科学的世纪，我们不了解、不理解生命科学，就无法理解这个世纪；不把握生命科学、不解码生命，我们就无法征服、就无法改造生命，所以我们解码DNA 趋利避害，是我们的天职和责任，是我们科学家和社会的共同责任！谢谢大家！

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：从秦汉方士的隐身术，到哈利波特的隐身衣，再到军事上的隐形飞机，哪些是幻想魔术？哪些是科学前沿？人类是否能拥有变身透明人的超能力？超能力又该如何实现？在SELF讲坛的舞台上，来自中科院物理所的研究员陆凌展示了现代隐身术的奇妙之处。

---嘉宾介绍---

陆凌

中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室研究员

以下内容为陆凌演讲实录：

大家下午好，我想先问大家一下，大家想不想隐身呀？我想很多回答想的朋友，一定是科幻电影看得比较多，想象自己得到一种超能力。那么今天我想给大家介绍：隐身其实是一门技术活。

让我们先从历史开始讲起，从古至今，隐身一直是人类的一个梦想，中国早在秦汉时期就有对隐身术的记载。当时的道家方士们，他们追求长生术的同时也研究过隐身。那现在看来，当时的那些方法和方式都是接近可笑的。有一个非常经典的例子就是一叶障目，说的是有这样一个隐身的方子：如果你找到了螳螂在捕蝉时候用来伪装自己的那片叶子，你攥在手心里，放在眼前，周围的人就看不到你了。古代确实有一个书生这么做了，他立刻跑到集市上去拿东西，那结果也可想而知，也就留下了一叶障目这样一个笑话。

但话又说回来，中国古代非常多的哲学思想确实是隐身的思路，第一个就是天人合一：天人合一说的是人和自然、环境的一个完美融合，如果你做到这一点你就可以隐身。

大家看一下后面的这张图片，是在长城上拍摄到的，如果你仔细看。在画面的中央，有一个行为艺术家，他把自己做上人体彩绘，巧妙地和周围的城墙、山景融合到了一起，所以从这个角度你很难发现他的存在。

第二个例子更加有意思一点，那是在三四年前，四川有一个派出所，他们接到了一个电话，说家里的两个小孙子不见了，找了大半天也找不到，结果民警就在山脚下的一个泥池塘里面发现了他们两个，他们玩得正欢呢。大家可以看到这是其中的一位，因为他身上裹着很多泥浆，还有泥土，和周围的山景完全融为一体了，所以怎么找也找不到。所以有网友们就戏称，这两个小隐身人长大了肯定是特种兵的好料子。

那这两种方式就是不太干净，因为你最起码回家都得洗个澡，那么有没有不用洗澡的隐身术呢？

 这位先生做的这件事情就很聪明，他拿着自己的平板电脑走到了山上，巧妙地将背后摄像机拍到的画面展示在了前面的屏幕当中，然后从这个角度看过去，似乎你就看不到他的脸了，而后面的天空的景象依然非常完整。

那毕竟这个小的显示屏它的面积是有限的，所以他能隐身的区域也依然是有限的，我们可以暂且称他为是小隐，那么怎么才能大隐呢？中国古人云：小隐隐于山，大隐隐于市，确实是这样。现在韩国正在建造一幢摩天大厦，他们称之为隐身大厦，它隐身的原理也跟之前提到的是一样的，将非常多的电子显示屏铺满整个大厦的外墙，所以如果你360度将背后的景象显示在它的墙体上的时候，你就看到右边这张图所显示的这样一个隐身的效果——一幢摩天大厦在城市的正中央消失了。

当然这么做的代价是非常高的，也非常耗电，其实大自然中就隐藏着更高超的隐身技术。下面这段视频是在海底拍摄到的，现在在画面的正中央是一个珊瑚，然后有一条小鱼游了过来，似乎什么都没有发生，但如果你靠得更近的时候，哇！你看到原来是有一只白色的章鱼，它受到了摄影机的惊吓之后吐出了一口墨汁然后游走了，当它游到这边的时候张开它的躯体，你就会清楚地发现它的颜色和图案都是可以瞬间变化的，是不是非常的神秘？

 这是一个慢动作倒播的一个画面，可以看到这个软体的章鱼可以在三维立体各个方面变换自己的形态、表皮的颜色、图案、甚至是表面的一些微小的结构，以至于说你知道它就在那里，但是你依然无法分辨它和它生存的环境，那么章鱼究竟是怎么得到它的隐身术呢？奥秘就在它的表皮结构当中。

这一张章鱼表皮的图像，你看到的是非常多成千上万的小的色素块，有的是黑色，有的是棕色，也有白色的底色，还有青色和黄色的效果，它的奥秘是因为它是软体组织，所以它可以瞬间张开或者缩小这些小的色素块，以至于达到在某个时候是白色的底色，或者棕色的表面颜色。当然它还有非常多其他的结构和颜色的变化能力，那么它背后的物理原理呢？

原来章鱼的表皮是分非常多层的，每一层都有不同颜色的色素块，但同样的是它每一个色素块都跟周围的肌肉组织紧密相连，所以它可以瞬间拉伸或者缩小这些颜色，而之前和之后的面积差别可以超过一百倍。

那现在我们非常清楚了这个章鱼隐身的本领，那么下面就让我们玩一个找章鱼的小游戏。大家看一下这是另外一段视频，这个时候依然是在水下，但是更加的高清、更加的彩色。大家能不能看到一条章鱼？

其实作为这只章鱼，我觉得它一定也很郁闷，我已经做得如此之完美了，居然大家还能够找到我，所以有了章鱼这样的一个演示之后呢，我们不难想象在不久的未来，我们会有像电子皮肤、电子衣服这样的隐身科技或者产品出现。现在我们穿的衣服，可能很多是猪皮、牛皮，以后大家拎着一张章鱼皮就可以出门了。

其实不止是章鱼，所有的这些头足动物门、软体动物，常见的比如说像鱿鱼、乌贼，它们都有类似的变换能力，但是从严格意义上讲，它们都是一种伪装术，并不是一种高级意义上的隐身，因为你毕竟是可以看到它的，只是你无法分辨它和它所在的环境。那么更高级的隐身术其实也可以用中国古人的思想来阐述，老子用“上善若水”来表达对水的敬意和赞美，那确实你看到，水从它的源头慢慢地流到你的跟前，一路上其实经过了千难万险，因为有岩石、有峭壁，但是它都可以非常平静地绕过这些障碍物来到你的面前，而当你看到它的时候，你并不知道它所经历的过程。那隐身术也希望做到同样的事情——就是让原本直线传播的光线达到一个绕行然后继续前行的效果，这听起来非常的梦幻，但是它其实并没有那么难做到。

这是一段演示实验，是在罗切斯特大学拍摄的，现在在画面的正中央，大家看到的是一个大男孩靠着墙站着，但是其实就在他的跟前站着一个他的弟弟，但大家刚才就看不到他，那现在把两个人的位置互换一下，现在大家看不到这个大男孩的腿了，但是后面却蹲着他的弟弟。这是为什么呢？其实原因也不难理解，因为正在这个小男孩的面前放置着两面镜子，但大家没有注意到的是边上还有另外两面镜子来辅助这样的一个隐身实验。

它的原理图就展示在左边，在熊猫这个位置是隐身的，蓝色的几根线代表的是四面镜子，它们两两互相成直角并排放着，红色就是光行进的路线，可以看到当观察者在屏幕的下方的时候，你看到光是经过了四次的反射绕过了这个熊猫所在的区域，但是你却依然能够看到背后的景象，这就是刚才这个实验的基本原理。

其实在座的每一位你们回家都可以做这个实验，你只要取四面镜子，放置成这样的位置就可以拿来做这样的隐身的实验，因为只要躲在这个小熊猫在的地方，大家可以看到光线就可以绕开你。

 那么如果我将刚才的四面镜子扩展到八面，就是在屏幕的上下方做了一个镜像，那就可以看到在小熊猫的这块空间已经完全被孤立起来了，这块空间你是完全看不到的。但是这要求的是观察者在你的左手方或者右手方，就是对两个方向你达到了隐身的效果，那如何才能在更多的方向达到隐身呢？

这是一个更巧妙的设计，是我在浙江大学的合作者陈红胜教授他的一个构思，这个思路就是有六块玻璃，你把它组成一个六角形的柱状结构，从光线行进的演示可以看到，在中间的这块区域就是隐身的。

这块隐身的结构它能给我们带来什么样的视觉震撼呢？这是在鱼缸的侧面拍摄的一个画面，那鱼缸里肯定是有鱼的，那鱼在哪里呢？现在小鱼露出了半个脑袋，但它的身体依然看不见，但你却能看到后面的水草清晰可见，现在小鱼开始卖关子了，它不愿意出来，所以把它赶出来，现在它出来了，是不是很神奇？它是活生生的一条鱼，而且它的身体表面的颜色是非常之鲜艳，但是在这样一个白色的布景、充分光照的情况下你却看不到它。

这是刚才这个实验的一个原理图，就是把这个六角形的隐身装置放在了鱼缸的中间，所以当小鱼游进这个柱状体的时候，在鱼缸一侧的观察者却只能看到背后的水草，而看不见这条小鱼。那么刚才我演示的这些实验都是在可见光的波段，也就是人眼能够看到的这个波长范围，比如说你们现在能看到我，这是因为有灯打着我反射到你们的眼睛里面，你们才能看到我，如果现在让工作人员把所有的灯光全部关掉，大家就看不见我了。但是如何才能观察呢？

其实刚才梁老师的这个报告里面就讲到了这样一件事情，那就是夜视的基本原理。如果你用红外照相机来拍摄黑暗中的人的话，依然可以看到它的图像，因为人是发热的，就像我一样有体温，我不断在发出红外波段的电磁波，就能用红外相机捕捉到。那么这样的一个结构对红外的成像能看到什么样的图像呢？

 这是两张红外相机拍摄到的图片，上面这张看到的是一只小老鼠，大家可以看到它的体温是热的，那下面这张它有一半的身体是坐进了这个隐身结构里面，所以你完全看不到它，所以就算是夜视镜，你也看不到这个在隐身区域的物体或者人，那这个结构可以说是非常好了，因为它能做到可见光、红外光都隐身。但是它的缺点在哪里呢？

 他缺点在于它还是只能在六个方向达到隐身的效果，如果你的角度稍微偏折一些，五度到十度，这就不起作用了，那么更加完美的隐身需要做到的是各向同性的这样一个效果，也就是这样一个柱状体、圆形的一个结构，这样才能达到在中间这块区域是和外面完全在光学上隔绝，对于任何角度的观察者都不能发现它。

 那么这样的一个完美隐身的要求，其实对科学家们的挑战是非常非常大的。所以在原理上，我们就必须摒弃刚才所说的，光用直线来描述这样一个几何光学的概念，因为这只是一种近似，我们现在需要充分考虑光的波动性，因为从微观的角度来说，光线你仔细看，它在微观都是电磁波，也就是电场在时间和空间上的一个周期的运动，在考虑了所有这些因素之后，经过了很多的努力，右边是学生做的一个理论的仿真动画，这里的红色和蓝色的条纹，表示的就是这些电磁波的波峰和波谷，所以你看到的其实是一束波从左边传来，从右边出去，但对中间这个隐身的区域，它是完全侦查不到的，可以说是达到了完美的隐身的效果。

说到完美，我想问一下在座的各位，大家有没有像我一样，是一直在追求完美的人，还是有很多人都举手了。在追求完美的过程中，大家可能会有体会——完美需要付出代价的。对于这样的一个例子来说，它看上去似乎是完美的，因为各个角度都能隐身，那它付出的代价是什么呢？

这里我提三点：第一是它只对一个固定波长能达到隐身的效果。可以看到，如果我们将这个红蓝之间的间隔，这个波长变大或者变小的话，很容易想象，它就无法从左到右这么完美地透射了，也无法把周边都匹配得这么好；那么第二点是这一类绕行的隐身术它的一个通病，也就是说隐身是相对的，在里面如果有一个人的话，他不能被外面的观察者看到，但是在里面，我一样什么都看不见，我也侦查不到外面的图像；第三点涉及到实际的应用，比如说我们在军事上希望让一架飞机隐身，就像图上看到的这样，那我们就把这架飞机放在这个隐身结构的正中央，但是大家看一下会带来什么样问题呢？从几何的比例上就会发现，你需要造一座足球场放在它的周围，才能让这架飞机做到隐身。这个实际上是非常困难，或者说几乎是不可能的，那么怎样才能让一架飞机完美的隐身呢？或者说现在最好的科学技术能做出什么样的隐形飞机呢？

下面我们就来介绍一下现在所谓的隐形飞机的隐形基本原理，首先他对飞机的探测是在微波阶段，微波就是大家用的微波炉或者手机这样的信号，用的是雷达，那么它侦查的原理是从不同的方向往空间发出电磁波，这时候如果来了一架民航飞机，那一定会有部分的电磁波是往原路反射的，然后会被刚才的这个雷达探测到，我们就知道在多高的高空、多快的速度有一架飞机正在飞行。那如果现在敌方来了一架侦察机，它是一架隐形的飞机，隐形飞机的外表形状和涂层都是经过严密的设计，它的反射波绝对不会沿着原路返回，它会被吸收掉一部分，然后其他的部分往其他的方向去了，所以对这一个雷达来说，它确实是隐形了。

但是聪明的观众可能也能看出来，如果我在四面八方、天上地下、山上都放上这样的雷达，成为一个雷达网络，并且他们之间协同工作，那么现在是没有一个技术能够让一架飞机真正在天空中消失的，正是带着这样的一个想法或者问题，我和我在浙江大学的合作者叶德信教授去年找到了一个不一样的思路，我们设计了一种隐身材料，就像画面中看到的一样，由隐身材料组成的这个结构，可以是任意大小和形状，所以在这里，我们把它画成了一架飞机的形状，为了配合刚才的这个题目，它一样可以是坦克或者人、或者一个建筑，但是无论怎样，电磁波都会完美地穿透它继续前行，不发生任何的改变。更难能可贵的一点，在实验上它也非常容易实现，因为它所需要的材料就两种，一种是铜，一种是常见的塑料，当然这里的细节的结构和连接方式都是非常仔细设计过的，这样的一个复合材料，它达到的一个效果是电磁波在这个材料里传播的速度和在空气中是完全一样的，所以对于电磁波来说这两种材料其实是一种材料，所以，也就是为什么我可以把它做成任意的形状或者大小，它都不会对电磁波产生任何的干扰。

这也就和刚才所谓的光线绕行的思路完全不一样了，这里是完全敞开的一个设计，那这样的一个隐身材料，显然在军事上会有很大的潜在应用前景。其实跟在座每一位的生活也都息息相关，我想大家有没有这样的体验，总是抱怨这里网络的信号不好、手机的信号不好，或者说大家在家里装了一个新的无线路由器，你在路由器附近上网的速度非常快，那你到其他房间、其他角落，你就发现信号很弱上不了网，或者说当你一边打着手机一边走进电梯的时候，我想大家都有这样的心理准备，就是这个信号会断，那这些都是因为同一个问题，就是我们现在用的建筑的墙体，或者说铸造这个电梯的这个金属材料，它都不是这样的隐身材料，它都会强烈的散射、或者阻拦电磁波的传播，所以可以想象，如果我们用这样的一个复合材料做成我们的建筑或者电梯的材料，那么在我们的生存空间里面就不需要这么多的路由器，也不需要这么多的信号发射塔，就能更有效更节能的通讯了。

那到最后希望经过这一系列的介绍，我希望大家跟我一样有信心，也就是说隐身在未来将不再是一种超能力。谢谢大家。

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出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：2045年，中国77%的工作将被人工智能取代，耳熟能详的人工智能真的只会让人失业吗？当AI取代人力承担繁重的批阅工作，当AI实现因材施教，当AI将老师从工作中解脱出来，教育会迎来怎样的变革呢？在SELF讲坛的舞台上，科大讯飞研究院北京分院副院长付瑞吉告诉你答案。

---嘉宾介绍---

付瑞吉

科大讯飞研究院北京分院副院长

以下内容为付瑞吉演讲实录：

大家下午好，我是来自科大讯飞的付瑞吉。

今天，我分享的题目是AI引发的教育变革。AI是Artificial lntelligence的缩写，就是我们耳熟能详的人工智能。人工智能这几年非常火，那么人工智能到底能做什么呢？有人会说它让人类失业，说得没错，去年《科学》杂志做了一个预测，说到2045年的时候，我们人类50%的工作将被人工智能所取代。这个数字在我们中国是77%，因为我们中国有很多劳动密集型工作，那么可以想象，我们到2045年的时候，到餐厅，有机器人的服务员为我们服务，到银行办业务的时候，我们柜台里面是一个机器人，我们吃着机器人给我们做的饭，然后穿着机器人做的衣服，那是一种什么感觉？

我们今天讲的是教育方面，想象一下，在座有些老师，如果我们的老师将来被人工智能所取代、被机器人所取代，那是一个什么情景？如果我们的同学们，以后都在课堂上听机器人老师讲课，那是一种什么情景？有人可能会怀疑，那么我们来看一下现在机器人工智能可以做到什么程度？

一段语音它在计算机里面被表示成一段波形，这段波形它对应的是英文单词about。首先计算机会对这个波形进行切分，边界的切分把这个波形分成音节，我们叫因素边界切分，它是根据大量人工标注的文本——就是语料来做的，与此同时，还有大量的读音对应文本的资源数据，然后我们计算机可以学出about对应的真正的读音是什么。那么再来一段真实的录音，可能是实际考试中学生的读音，这时候我们同样做一个切分，然后做对齐，可以判断出最后一个地方about它读成了aboud，最后一个音节它读错了。我们用这个声学的模型，可以把它的检测出来，这就是大概的原理。

那么我们能做到一个什么程度呢？我们怎么检测这个机器评判得好不好呢？我们做了一个评分的试验。我们请了十位资深的评分专家，请他们对同样的一段语料进行打分，然后以平均分作为标杆，同时再请机器以及普通评分员对这样的语料进行打分，然后比较人工分和机器分跟专家分的差距，我们发现机器分与专家更接近，所以我们的人工智能在这方面已经超过了普通人。实际上人工智能不仅可以评分，还可以把读得不好的地方揪出来，比如说前后鼻音、平翘舌音都可以检测出来。

难道大家看到的只是让人类失业吗？其实不然，我们每年这种听说考试有3000万分钟左右的录音，如果全部由人工评分的话，需要3万人每天这样工作，是非常巨大的一个工作量，那么用我们的技术可以很快，而且是非常公平公正地获得评分结果，因为人去干这样非常繁重的工作的时候，他容易疲劳，很难保持前后标准统一，但是对于机器来说是没问题的。

所以，人工智能可以使教育更加公平和高效，不仅如此，大家在北京可能体会不到，其实在一些偏远的地区，我们教育资源是比较匮乏的，很多地区老师的普通话水平都不过关，就更谈不上去指导学生的发音了。那么用我们这套系统可以很好地去指导、纠正学生的错误读音。

我们刚才看到只是一个语音的评测，实际上我们人工智能是分三个阶段的，第一个阶段是运算智能，从计算机第一天诞生，就比人类有优势。举个例子，我们每天可能会用到地图，手机上的地图可以把整个北京的公交线路都记下来，而且快速地去搜索。这一点是人类做不到的，所以在运算智能上计算机早已远远地超过了人类。第二个阶段我们叫感知智能和运动智能，感知智能对应的是我们的听力、视觉还有说话的能力，运动智能是我们对动作的控制，比如说动作的精准性、运动的平衡性这方面的控制。如果说第二阶段是所有高等动物都具备的智能的话，那么第三个阶段就是我们的人工智能，最高级阶段认知智能是我们人类所特有的区别于普通动物的能力，就是能理解会思考。那么我们的人工智能现在能思考吗？因为人类有思想，所以才创造了很多这种文学、艺术的作品，那么我们现在的人工智能它能做到吗？

机器除了评分还能够做什么呢？还能做评阅批改。比如说一篇作文，人工智能可以识别出它的优美句子：人生中每一次困难就是一次磨练，每一次磨练就是一张答卷；还可以去分析出他的主题立意比较好，由答卷引申到了文天祥和屈原的人生答卷；还可以识别出词汇的错误、错别字；卷面不够整洁；涂抹比较多……其实还可以做很多，这里就不一一展示了。

我们是怎么做到的呢？实际上我们是从原始的纸质试卷开始，通过扫描仪把它变成计算机里面的一个图片，然后再用OCR的技术把图片中的文字识别成文本，结合老师打分。这样千万数量级的数据可以教给计算机来学习，计算机学习他的评分标准，就可以对新的试卷进行评分。

这里头的一个核心的算法是 Attention，简单通俗地理解就是叫注意力神经网络，它实际上是在模拟人脑的思考过程。比如说我们看一篇作文，去看它的主题、评判它的主题的时候，我们注意力是集中到它的内容是不是跟题目所要求的符合。如果说是去评判它的立意，我们看一下这篇作文它的思想是不是符合主流价值观，如果是评判语言表达的话，我们就看他的遣词造句的能力，修辞手法、优美句子等等的使用能力。所以在不同方面他的注意力是不同的。我们通过收集到的大数据，去学习人类老师评分习惯，可以把评分的准则学到神经网络当中，新的试卷来了以后，我们基于Attention的网络可以对试卷进行评判。

我们为什么要做这样的事情呢？除了大规模考试取代了人类繁重的劳动以外，还能做什么呢？通过学生对于作文批改的满意度调查，我们发现对于老师的作文批改，大部分人是不太满意的，不太满意的原因有两点，一个是批改不够及时，另外一个是批改不够细致。为什么会造成这样的结果呢？

我们平台有一万多所学校在使用，服务于一千多万学生，每年都会产生三亿篇这样的作文，这就导致一个现状，就是老师在评分的时候工作量非常大。评阅作文的时候，我们平台统计老师的评阅速度是20秒每篇，非常快，在这么短的时间内可能很难去做一个精准的、详细的评阅，可能只能看个大概。那么有接近40%的老师，三天甚至是一周之后才会反馈作文的批改结果，反馈的不及时就会导致学生学习作文的兴趣下降。那么用了我们这套系统就可以快速地给出详细的评阅结果，把老师从这种繁重的作业批改工作中解脱出来。

我们人工智能还能做什么呢？让我们来展望一下，第一个是因材施教，这个是我们的孔子在2000多年前提出的。因材施教一直以来就是人类的一个梦想，它讲的是根据学生的资质特点进行个性化的教学，取长补短，我们实际实施起来是非常困难的，除非给每个学生配备一个天生的导师，这是不太现实的。

人工智能使我们有机会实现因材施教。怎么做呢？实际上在每次考试以后，我们的人工智能可以分析学生的作答情况，根据作答情况，分析出他的知识点的掌握情况，再布置个性化的作业。也就是说对于那些学生已经充分、熟练掌握的知识点，我们就不必再去做练习了，而是集中精力去做他掌握得不太好的知识点作业。

老师也一样，我们分析整个班级的知识点掌握情况，那么对于大多数同学都掌握得比较好的知识点，我们就可以在课堂上做简略地讲解，然后集中时间去讲解那些大家掌握得不好的知识点。

第二个是智能监控，我们在未来的智慧课堂可能会配备高清的摄像头，它能捕捉每一个学生的面部表情，根据面部表情分析出这个学生的注意力是不是集中，他对当前的这个知识点掌握的情况如何，然后把这些掌握的数据反馈到老师这里，老师可以调整讲课的节奏、讲课的内容达到更好的教学效果。有了这个，各位小朋友们不要紧张，实际上就是你上课的时候不能做一些小动作了，基于以上的分享，在座的老师大可不必担心，我们的人工智能不会让老师失业，只会让教学更加高效和快乐，可以使各位老师从繁重的工作中解脱出来，花更多的精力到教学方法、教学手段这种创造性的工作当中去。最终受益的是谁呢？最终受益的是我们在座的学生，他们可以接受更加全面、更加个性化的教学，使学习更加高效、更加快乐。

最后让我们以开放的心态，迎接人工智能为我们教育所带来的伟大变革！谢谢大家！

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