第四次生物革命的4大创新领域将对4大经济领域产生重大影响
2022-04-15 13:30
传统中西医学最早是以解剖学和病理学为基础的应用学科。
远在春秋战国时代（公元前200-300年）最早的一部医学著作《黄帝内经》就有关于人体形态的记载。
西方医学对解剖学的真确记载，是从古代希腊名医希波可拉底（Hippocrates，公元前460-377）开始的。
几千年过去，到了近代，生物医学兴起，经历了四次革命性创新浪潮。
四次生物革命浪潮
每一次创新浪潮的兴起，无不由于人们借助新的技术使认知能力和水平得到了提升，从新的视角进一步理解生命、健康和疾病的本质。
第一次：细胞学诞生
从17世纪中后期英国人罗伯特·胡克（Robert Hooke）和荷兰人安东尼·列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）在显微镜下观察到细胞和微生物，开启了从微观视野了解生命、健康、疾病的时代。
到19世纪中期德国人施莱登（Matthias Jakob Schleiden）提出细胞学说，再到20世纪中期加拿大人欧内斯特·麦卡洛克（Ernest A. McCulloch）等发现干细胞，经历了近3个世纪的发展过程。
显微技术催生了细胞学、微生物学、免疫学、胚胎学、组织学、寄生虫学等基础学科的创立，又进一步催生了针对微生物的疫苗、抗生素及各种化学药物的发明，大大提升了医学诊疗技术水平。
第二次：分子生物学诞生
1953年沃森、克里克采用X射线晶体衍射技术对DNA结构进行分析，提出DNA分子的双螺旋结构模型，标志着分子生物学诞生，从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。
自20世纪50年代以来，分子生物学成为生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系（中心是分子遗传学）和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。
生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。
现代化学和物理学理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了40多年来分子生物学的蓬勃发展。
分子生物学的发展催生了基因诊断、基因治疗、生物制药和生物工程等临床和商业应用的产生和发展。
第三次：系统生物学兴起
人类基因组计划由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动，2003年完成，由美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与预算达30亿美元的人类基因组计划。
该计划通过测定组成人类染色体中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。
“人类基因组计划"在研究人类过程中建立起来的策略、思想与技术，构成了生命科学领域新的学科——基因组学，已用于研究微生物、植物及其他动物。
人类基因组计划是一项规模宏大，跨国跨学科的科学探索工程，与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划，是人类科学史上的又一个伟大工程，被誉为生命科学的“登月计划”。
历时13年的人类基因组图谱绘制工作是一个基础性的组成部分，这一图谱的威力在DNA测序变得更便宜、更快时开始显现。
DNA测序的成本以比摩尔定律更快的速度下降。
在低成本和高通量筛选方面的进步有助于降低进入成本，加快实验步伐，并产生新的数据形式，帮助更好地系统地理解生物学。
在基因组计划成功实施并对生物医学产生全方位影响的同时，基于从细胞到身体各组成要素的整体系统研究学科，通称“组学”（Omics）在各领域兴起，如：
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基因组学（Genomics）
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蛋白组学（Proteinomics）
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代谢组学（Metabolomics）
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转录组学（Transcriptomics）
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脂类组学（Lipidomics）
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免疫组学（Immunomics）
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糖组学（Glycomics）
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RNA组学（Rnomics）
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影像组学（Radiomics）
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超声组学（Ultrasomics）
各种组学的汇集促进对生物学从局部到整体、更系统全面的理解，形成系统生物学（Systems Biology）。
在中医药领域，也受启发兴起基于辩证要素的组学，如：
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证候组学（TCM Syndromics）
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体质组学（TCM Constitutiomics）
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经络组学（Meridianomics）
虽然不确定这些学科研究如何有助于中医药的现代化发展，但确实是传统医学从经验主导向数字化转型的有益尝试。
第四次：人工智能推动
当前生物学领域的创新浪潮是由生物学科本身的一系列突破以及计算机、数据分析、机器学习、人工智能（AI）和生物工程的进步共同推动的，这些进步正在促成并加速这一变化。
根据麦肯锡（McKinsey）近期发布的报告，随着计算机、自动化和人工智能的发展，生物科学在生物分子、生物系统、生物机器和生物计算4个领域的一系列突破正在催生新一轮的创新浪潮。
第四次浪潮的4大创新领域
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生物分子——分子的测绘、测量和工程
继续通过“组学”研究，进一步加速系统性测量细胞内外各种分子（如DNA、RNA、蛋白质等），了解细胞过程和功能。
在上述研究基础上形成对细胞内分子的各种操作技术，如基因组编译技术。
上述技术转化成临床应用，如单基因病的基因治疗等。
2. 生物系统——细胞、组织和器官的工程
研究并了解复杂的生物组织和过程以及细胞间的相互作用。
基于上述知识，建立细胞、组织和器官层面的各种技术，如干细胞技术和移植技术。
将技术转化成对多种疾病的临床治疗、康复、抗衰老等措施，还有在实验室培养的肉。
3. 生物机器——生物和机器之间的接口
研究并了解生物体神经系统的结构和功能。
基于上述知识，构建把生物体的神经系统和机器连接起来的混合系统。
将上述技术用于人或机器人肢体运动控制（植入物或外部耳机）的神经假肢。
4. 生物计算——利用细胞或DNA等分子进行计算
研究并了解根据特定条件返回输出的细胞内通路或细胞网络（用于计算）。
构建用于计算过程（存储、检索、处理数据）的细胞和细胞成分。
潜在的应用场景包括DNA链中的数据存储。
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4个领域的重大突破相互促进
在生物分子和生物系统中，组学和分子技术的进步增强了我们对生物过程的理解，也使我们能够设计生物学。
这种能力也存在于设计或改造活细胞以治疗或预防疾病。
例如，开创性的CRISPR工具可以让科学家比以前的技术更快更精确地编辑基因。
从纺织品到肉类，基本上都采用了同样的工艺。
生物机械和生物计算的发展都涉及到生物和机器之间的深层次相互作用。
现在越来越有可能测量神经信号并为精确的神经假体供电。
现在还可以利用DNA存储世界上丰富的数据。
DNA的存储密度大约是硬盘存储密度的一百万倍。
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受影响的4大关键经济领域
麦肯锡（McKinsey）预测，在未来10至20年，上述创新形成的应用可能对全球产生每年2~4万亿美元的直接经济影响。
这些应用一半以上的直接影响可能产生在健康以外行业，包括农业、消费和其它非医疗保健领域。
1. 人类健康与效率
应用领域包括细胞、基因和RNA疗法，用于治疗甚至预防疾病，一系列延长寿命的抗衰老疗法，生殖医学的创新，药物开发和交付的改进，以及人类健康和疾病的新预测模型。
目前正在探索更多的选择，并可用于治疗镰状细胞贫血等单基因（由单个基因引起）疾病、心血管疾病等多基因疾病和疟疾等传染病。
在生物机械接口和生物计算方面，已经开发出用于恢复听觉和视觉的神经假肢。
未来10到20年内，全球每年的直接潜在影响估计为0.5~1.3万亿美元，占总影响的35%（包括来自生物机器接口的影响）。
2. 农业、水产养殖和食品
在这一领域的应用包括：
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利用分子或遗传标记进行动植物育种的创新新方法，其速度比已建立的选择性育种方法快很多倍；
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新的，更精确的植物基因工程工具；
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利用植物、土壤、动物和水的微生物组快速发展的工作，以提高农业生产的质量和生产力；
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开发替代蛋白质，包括实验室培育的肉类。
未来10到20年内，全球每年的直接影响可能在0.8~1.2万亿美元之间，占总影响的36%。
3. 消费产品和服务
利用越来越多的生物数据为消费者提供基于其生物构成的个性化产品和服务，这种机会正越来越多。
这一领域的应用包括直接面向消费者的基因检测、美容和个人护理。
随着微生物组检测的普及，基于对微生物组越来越多的了解，以及对人类甚至对宠物的健康（或健身）的创新方法。
未来10到20年内，每年可能产生2000~8000亿美元的直接经济影响，占总影响的19%。
4. 材料、化学品和能源
利用新的生物方法，制造和加工材料、化学品和能源可以改变许多工业和我们的日常生活。
该领域的应用包括与材料生产相关的创新，如：
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改进的发酵工艺；
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利用编辑微生物DNA的能力形成的新生物路线开发具有全新特性的新材料（例如自我修复的织物）；
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以生物燃料的进步为基础，创新新的能源储存形式。
在未来10到20年，每年对全球的直接影响可能达到2000~3000亿美元，占总影响的8%。
随着生物创新转化成商业利润，这种影响最终将辐射到几乎所有的经济部门，对社会和环境产生影响。
到2040年至2050年，我们所设计的直接应用程序可以将人造温室气体的年平均排放量从2018年的排放水平减少7%至9%。