【摘要】生物技術與信息技術的融合發(fā)展，顛覆了生命科學的傳統(tǒng)研究范式，提升了人類認識生物、調控生物、改造生物的能力，同時啟發(fā)了信息技術的仿生研究和發(fā)展，驅動新興信息技術的開發(fā)。兩者的深度融合，塑造了新產業(yè)和新業(yè)態(tài)，為生物經濟的發(fā)展帶來重要機遇，不僅為破解人類發(fā)展所面臨的健康、能源、資源、環(huán)境等重大問題提供了新思路、開辟了新路徑，也改變了人們的觀念和生活方式，尤其是促成以“疾病”為中心向以“健康”為中心的轉變、從“治已病”向“治未病”的轉變，推動“主動健康”模式的形成。

【關鍵詞】生物技術 信息技術 產業(yè)模式 生物經濟 主動健康

【中圖分類號】G35 【文獻標識碼】A

當前，新一輪科技革命和產業(yè)變革加速演進，生命組學、合成生物學、腦科學等生命科學的研究，基因編輯、細胞工程、生物傳感等技術的開發(fā)和運用，推動人類在認識和理解生命的尺度、維度、深度上不斷深入；同時，云計算、大數(shù)據、人工智能等新興信息技術正廣泛滲透和應用于各領域，助力千行百業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展。近年來，生物技術（BT）與信息技術（IT）的跨界融合，已成為大國博弈的戰(zhàn)略制高點，正在催生學術新思想、科學新發(fā)現(xiàn)、技術新發(fā)明、產業(yè)新方向，重塑創(chuàng)新鏈和產業(yè)鏈。兩者的融合，不僅為生物技術、信息技術各自的進步和發(fā)展帶來重要機遇，同時也為各行各業(yè)的高質量發(fā)展、經濟社會的可持續(xù)發(fā)展帶來新動力。

生物技術與信息技術融合發(fā)展的背景

當今學科在日益細分的同時，學科間的交叉融合正引領科研范式變革、驅動重大原創(chuàng)突破。其中，生命系統(tǒng)和信息系統(tǒng)在其知識體系中既有其共通的復雜性原理，又有其各自知識范疇內的差異化特征；生物技術與信息技術交叉融合，正成為學科“會聚”的典型范式。

“會聚”概念的提出及其意義。人類的科技發(fā)展史，就是一部多學科交叉、跨領域融合發(fā)展的歷史。多學科研究也是推動20世紀科學和技術發(fā)展的主要動力。通過不同學科之間的高度融合，往往會衍生出全新的學科，例如，化學、物理學與生物學交叉形成分子生物學、生物化學、生物物理學等。當多學科的知識融合和技術集成，用于系統(tǒng)解決復雜問題時，“會聚”（Converging）的概念便應運而生。在此背景下，美國國家科學基金會（NSF）先是在2001年聯(lián)合其他部門提出“會聚技術”（Converging Technologies），后又在2002年發(fā)布《聚合四大科技，提升人類能力——納米技術、生物技術、信息技術和認知科學》報告，強調了納米、生物、信息、認知技術的融合或集成。“會聚技術”概念的提出，為研究策略和研究過程提供了新范式，其意義在于突破了學科邊界，使不同領域的理論、技術和方法得以集成，并成為重大問題的系統(tǒng)性解決方案。美國國家科學院在其2014年發(fā)布的《會聚觀》戰(zhàn)略報告中指出，“會聚”體現(xiàn)了交叉學科研究的擴展形式，專業(yè)知識構成研究活動的“宏觀”模塊，而各個“宏觀”模塊又組合形成一個更大的整體。在會聚技術中，生物技術和信息技術具有系統(tǒng)性、綜合性等特點，兩者的融合有望成為科技和相關產業(yè)新發(fā)展的突破口。

信息技術對生物技術的賦能?，F(xiàn)代生命科學與生物技術的發(fā)展，經歷了從分子生物學、基因組學到會聚研究的三次革命。20世紀中葉，DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)、“中心法則”的提出，奠定了現(xiàn)代生命科學與生物技術的發(fā)展基礎。20世紀70年代以來，限制性內切酶和基因載體的發(fā)現(xiàn)，及其相關轉化技術的發(fā)明和應用，最終促成以DNA重組技術為標志的分子生物學革命，并為“寫基因”奠定了關鍵的技術基礎。從此，以基因克隆、基因定向突變等為基礎的基因工程、代謝工程等一系列分子生物學技術得以蓬勃發(fā)展。

20世紀90年代，人類基因組計劃的成功實施，標志著生命科學的研究全面達到基因組水平。人類基因組計劃就是以多學科交叉、多技術綜合手段，有組織、有計劃地開展以追求重大科學發(fā)現(xiàn)、重大科學數(shù)據積累為目標的“大科學”研究范式。繼基因組學之后，蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學等“組學”（omics）的研究與廣泛運用，“大科學”與“小科學”研究的結合與互補，推動了生命健康科技創(chuàng)新的長足進步。與此同時，基因測序、分子影像等新技術和新工具的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，使人類對生命現(xiàn)象的認識深入至納米尺度，解析能力也大大提升，不僅實現(xiàn)高精度、高效率、高通量，并逐步實現(xiàn)實時、動態(tài)和連續(xù)，進而衍生出“數(shù)據驅動”的研究范式。

隨著技術的不斷突破與進步，生命健康領域的數(shù)據已達海量級別。世界范圍內產生的醫(yī)療健康數(shù)據2013年大約為153EB，2020年已達2314EB；到2030年，世界范圍內每年產生的基因組數(shù)據將達25PB。面對這些海量的數(shù)據，如何進行高效的收集、管理、注釋、分配、利用等成為特別值得關注并需要解決的問題。大數(shù)據、云平臺、人工智能等信息技術的發(fā)展，賦能“數(shù)據驅動”與“假說驅動”兩種研究范式的結合，從而促進生命科學與生物技術新一輪的發(fā)展。

生物技術對信息技術的啟發(fā)。從信息技術的發(fā)展歷程來看，香農定律、摩爾定律的極限、“內存墻”等問題，正成為其進一步發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。例如，在數(shù)據存儲方面，隨著物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、科學觀測等領域的發(fā)展，全球數(shù)據正以“井噴式”的速度增長。根據國際數(shù)據公司（IDC）的估計，全球每年產生的數(shù)據將從2018年的33ZB，增加到2025年的175ZB。同時，現(xiàn)有的基于磁、光、電的存儲方法，已無法滿足未來海量數(shù)據的存儲，迫切需要新型、可持續(xù)的材料，以突破信息技術進一步發(fā)展的瓶頸與限制。另外，如何使計算機能夠以“類腦”的思維能力與反應能力對海量數(shù)據進行分析和處理，也是當前面臨的重大難題。

面對這些難題，大自然的“智慧”給予了無窮的啟迪。生命系統(tǒng)具有極高的信息存儲與處理能力、極低的能量消耗，以及高精密的復雜結構，可突破電子計算的性能和物理極限。例如，DNA（脫氧核糖核酸）具有存儲信息密度極高、物理化學特性穩(wěn)定、保存時間長等優(yōu)勢；人腦是由數(shù)百種不同類型的上千億個神經元構成的極為復雜的生物組織，其密度和多樣性是現(xiàn)代計算機的數(shù)十億倍，執(zhí)行計算任務所消耗的能量比現(xiàn)今通用的計算機功耗低很多。目前，尚未有人工系統(tǒng)可與人腦的精密程度相媲美，若能真正了解人腦的工作機制或原理，并從中獲得啟發(fā)，將有助于計算機科學與技術的創(chuàng)新。因此，向生命系統(tǒng)學習和模擬，從仿生、似生、創(chuàng)生、再生等角度尋求新的解決方案，成為信息技術發(fā)展新思路、新路徑的重要源泉。

生物技術與信息技術融合發(fā)展的趨勢

在人類科技發(fā)展的前進道路上，生物技術與信息技術的融合將成為孕育思想、破解難題、應對挑戰(zhàn)、創(chuàng)造未來的重要動力。DNA計算與存儲、數(shù)字細胞、器官芯片、類腦計算、腦機接口、“半導體-生物混合系統(tǒng)”等新領域、新方向逐漸進入人們的視野。

生物技術與信息技術融合的國內外布局。發(fā)達國家著眼生物技術和信息技術的相互賦能、融合突破，率先開展了前瞻布局，以期占據科技競爭的戰(zhàn)略制高點。美國國家科學基金會早在2008年就開始部署與生物計算相關的研究，并于2009年啟動“超越摩爾定律”項目，重點資助量子計算、DNA計算等非傳統(tǒng)計算模式的研發(fā)。2013年，美國半導體研究聯(lián)盟啟動“半導體合成生物技術”（SSB）研究項目，并于2018年聯(lián)合美國國家標準與技術研究院（NIST）、情報高級研究計劃局（IARPA）等機構發(fā)布《半導體合成生物學路線圖》，制定了半導體與合成生物學技術未來20年融合發(fā)展的重點方向。歐洲“地平線2020”計劃資助的為期五年的Bio4Comp項目，旨在研制功能強大、安全性更高的生物計算機。日本提出的“推進數(shù)據整合和人類生物醫(yī)學研究”戰(zhàn)略建議主題，涉及從分子到個體的跨尺度生命科學網絡、4D生物組織重塑等。此外，信息技術相關工具手段的開發(fā)及應用，在美國、歐洲的“腦計劃”和精準醫(yī)學等重大計劃中隨處可見。

我國近年來也加速了生物技術與信息技術融合研究領域的布局。國家重點研發(fā)計劃聚焦未來生命科學、醫(yī)藥健康產業(yè)和經濟社會發(fā)展等重大需求，2020年開始啟動“生物與信息融合（BT與IT融合）”重點專項，通過加強生物技術與信息技術跨界融合研究，兼顧科學創(chuàng)新和技術圖譜，引領新經濟模式發(fā)展，旨在催生一批面向生命健康的顛覆性新技術，形成一批新工具、新技術、新標準與新產品。國家發(fā)展改革委2022年5月發(fā)布的《“十四五”生物經濟發(fā)展規(guī)劃》明確提出：“推動生物技術和信息技術融合創(chuàng)新，加快發(fā)展生物醫(yī)藥、生物育種、生物材料、生物能源等產業(yè)，做大做強生物經濟。”

生物技術與信息技術融合發(fā)展的典型領域。美國的《半導體合成生物學路線圖》規(guī)劃設計了基于DNA的大規(guī)模信息存儲、基于細胞或細胞啟發(fā)的信息系統(tǒng)、智能傳感器系統(tǒng)和細胞-半導體接口、電子-生物系統(tǒng)設計自動化等主要方向。我國的“生物與信息融合（BT與IT融合）”重點專項聚焦DNA存儲、類腦智能與人機交互、生物知識圖譜、可編程細胞智能、智慧醫(yī)療等融合技術。從各國的相關規(guī)劃與布局可以看出，DNA存儲、生物計算、腦機接口等領域是生物技術與信息技術融合發(fā)展的重點。

DNA存儲。DNA作為已知最密集、穩(wěn)定的數(shù)據存儲介質之一，其特殊的結構模式是突破存儲技術瓶頸的關鍵，成為該領域研究最廣泛的生物存儲工具。微軟公司與華盛頓大學研究團隊于2019年3月已聯(lián)合開發(fā)成功了世界上第一臺DNA全自動存儲設備；谷歌、華為等國內外企業(yè)和機構也正在加速相關技術的研發(fā)。

生物計算。生物計算包括由DNA、RNA啟發(fā)的計算，細胞感受器啟發(fā)的類生命體傳感，神經網絡啟發(fā)的神經形態(tài)計算和類腦芯片等。神經形態(tài)計算通過模仿人腦構造來大幅提高計算機的思維能力與反應能力，降低計算能耗；類腦芯片配合類腦計算方法，形成“自主認知”的新范式，突破傳統(tǒng)計算機體結構的局限，在海量數(shù)據處理上具有優(yōu)勢，并且具有低能耗的特點。例如，清華大學開發(fā)的“天機芯”，能夠適應基于計算機科學的機器學習算法，也可實現(xiàn)神經形態(tài)計算模型和編碼方案；英特爾公司推出的類腦芯片“Loihi2”，每個芯片有100萬個神經元，能效得到顯著提高。

腦機接口。腦機接口可通過小型電子設備收集腦信號，并對其進行信息處理、特征提取、模式識別等，從而獲知人的意圖、認知或心理狀態(tài)，以及神經系統(tǒng)疾病狀態(tài)等信息，幫助有運動、語言等功能障礙的患者進行康復，提高生活質量，也能通過人腦與電腦的雙向通信，提升人類的思維能力、記憶能力、決策能力等。2021年7月，美國國防部下屬的高級研究計劃局（DARPA）參與研發(fā)的腦機接口芯片啟動植入人體的臨床試驗，以驗證腦機接口芯片在嚴重癱瘓患者中的安全性和有效性；Synchron公司開發(fā)的腦機接口裝置也于2022年5月開始人體臨床試驗，患者有望利用該試驗裝置，通過意識對電子設備進行無線控制，以獲得不依賴他人而獨立執(zhí)行一些日常任務的能力。

生物技術與信息技術融合發(fā)展帶來的新應用和新影響

生物技術與信息技術的融合發(fā)展，將促進社會向數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化的方向進一步邁進，引發(fā)新一輪的科技革命和產業(yè)變革，重塑人類的經濟生產模式和生活方式。

驅動科學技術和組織管理模式變革。生物技術與信息技術的融合，極大拓展了科學研究的廣度和深度。一方面，技術融合不僅能完成傳統(tǒng)生物技術難以勝任的任務，提升生物技術的能力，孕育顛覆性技術創(chuàng)新。另一方面，技術融合還將催生一系列新方向和新業(yè)態(tài)。例如，生命信息的感知、存儲和計算，將催生生物傳感器和生物納米物聯(lián)網（IoBNT）技術、生物啟發(fā)的信息通訊技術（BICT）、生物計算機技術等；以高性能計算為代表的人工智能技術，將驅動集生物設計和生物模擬、自動化實驗研究于一體的計算機輔助生物學（CAB）的發(fā)展。這種跨越多種學科的融合，顛覆了當前科學研究的范式，有可能全面提升科學的“發(fā)現(xiàn)能力”、工程的“建造能力”、技術的“發(fā)明能力”，以及社會的“創(chuàng)新能力”，以應對來自多領域、多層面的科技和社會挑戰(zhàn)，真正實現(xiàn)“如果認知科學家能夠想到它，納米科學家就能夠制造它，生物科學家就能夠使用它，信息科學家就能夠監(jiān)視和控制它”。

同時，這種跨越多種學科的融合，也催生了新型研究組織、科研資助模式，以及新的科學數(shù)據開放和共享形式、新的產學研合作機制、新的人才培養(yǎng)方式，尤其需要形成支持科學研究及促成研究成果向新產品轉化的協(xié)作網絡，這個“網絡”不僅需要政府部門、學術界與產業(yè)界的協(xié)同，還需要構建與融合發(fā)展相適應的生態(tài)系統(tǒng)，形成一種有助于融合的文化。

驅動戰(zhàn)略性新興產業(yè)的發(fā)展。生物技術與信息技術的融合，在促進各自發(fā)展的同時，正深刻地改變醫(yī)療健康、制造、農業(yè)和服務等領域的業(yè)態(tài)，驅動產業(yè)的新突破。

數(shù)字健康。生物技術與云計算、數(shù)據分析等先進信息技術融合，使人類對疾病與生命的本質有了全新的認識，疾病防治正向精準醫(yī)療和數(shù)字健康轉型和提升。利用生物與信息的技術融合，可將基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組、表型組等各類組學產生的生物醫(yī)學數(shù)據，與臨床類數(shù)據、飲食和運動類數(shù)據，以及社會及物理環(huán)境信息等連接起來，建立起開放共享的數(shù)據網絡，綜合考量“生物-社會-心理-環(huán)境”等復合因素，通過更精細、更準確的疾病分類，提供更精確的診斷和治療，實現(xiàn)個性化的“一人一方案、一病一路徑”。

近年來，人們的就醫(yī)需求、習慣、診療流程都發(fā)生了很大變化，數(shù)字技術賦能的醫(yī)療健康與傳統(tǒng)線下醫(yī)療之間的邊界日益模糊，在線預約、診斷、康復支持等互聯(lián)網醫(yī)療，正在加速傳統(tǒng)醫(yī)療服務、管理模式的數(shù)字化變革。數(shù)字健康正成為人工智能等新興技術的典型應用場景之一。數(shù)字健康是能獲取、存儲或傳輸健康及醫(yī)療數(shù)據，可幫助消費者改善生活方式和健康狀況的相關技術、平臺或系統(tǒng)，涉及數(shù)字監(jiān)測、數(shù)字診斷、電子處方、智能設備、遠程醫(yī)療等載體，涵蓋數(shù)字醫(yī)療、醫(yī)藥、健保、醫(yī)檢、醫(yī)養(yǎng)康養(yǎng)、醫(yī)療健康云服務等業(yè)態(tài)。目前，全球有超過5000家企業(yè)，從事數(shù)字健康方面的技術研發(fā)及應用；截至2021年底，美國有至少40款數(shù)字療法產品獲美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）認證許可，我國也有近20款數(shù)字療法產品獲得醫(yī)療器械注冊證。全球數(shù)字健康領域融資總額達590億美元，同比增長81.5%；我國數(shù)字健康領域融資額也達到184.1億人民幣。數(shù)字健康產業(yè)有望成為拉動內需的新動力。

先進生物制造。生物制造是利用生物體的機能進行物質加工與合成的綠色生產方式，可降低工業(yè)過程能耗、物耗，減少廢物排放與空氣、水及土壤污染，大幅降低生產成本，提升產業(yè)競爭力。新興信息技術的引入，促進了先進生物制造技術的研發(fā)，從而使基因合成、酶的理性設計、細胞制造等方面的能力有了質的突破，有助于實現(xiàn)化工原料和過程的生物技術替代，發(fā)展高性能生物環(huán)保材料和生物制劑，向綠色低碳、無毒低毒、可持續(xù)發(fā)展模式轉型。預計未來十年內，35%的石油化工、煤化工產品可被生物制造產品替代，從而為能源、材料、化工等領域的生產帶來極大變革。牛奶、食糖、油脂等食品，一旦實現(xiàn)工業(yè)生物制造，將產生顛覆性影響，其全球經濟規(guī)模也十分可觀。

精準農業(yè)。生物和信息技術的融合，還能推動以數(shù)字農業(yè)、智慧農業(yè)和精準農業(yè)等為特色的農業(yè)新體系的建構，提供名、特、優(yōu)、新的產品，以及生產、生活、生態(tài)、生息“四生共融”的功能，從而使農產品的消費模式由追求溫飽型轉變?yōu)樽非蟀踩?、營養(yǎng)的健康型。隨著物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算、衛(wèi)星遙感、人工智能等新一代信息技術與農業(yè)的融合，信息化成為實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化的重要支撐力量。通過農業(yè)全要素、全系統(tǒng)、全過程的數(shù)字化，實現(xiàn)農業(yè)科學決策和數(shù)字化管理；通過智能技術的運用，提高對農業(yè)系統(tǒng)綜合管控的能力；強調基于農業(yè)動植物和空間環(huán)境等信息的變化而進行精細管理的精準農業(yè)，也將因數(shù)字化的助力而邁上新臺階。

改變人們的健康理念和生活方式?！?ldquo;健康中國2030”規(guī)劃綱要》指出：“全民健康是建設健康中國的根本目的。立足全人群和全生命周期兩個著力點，提供公平可及、系統(tǒng)連續(xù)的健康服務，實現(xiàn)更高水平的全民健康。”其中，“全民健康”意味著關注的重點除患者外，正常人的健康維護同樣重要。為了實現(xiàn)這一戰(zhàn)略轉變，需要改變把維護健康的主要任務交給醫(yī)院，由醫(yī)生負責診斷和治療疾病的傳統(tǒng)的“被動健康”模式；需要統(tǒng)籌社會、行業(yè)和個人三個層面，形成維護和促進健康的強大合力，建立“主動健康”的全新模式，最終從源頭上預防和控制重大疾病，實現(xiàn)從以治病為中心轉向以健康為中心。

“主動健康”是人類健康領域開創(chuàng)性的變革，變革的核心是把維護健康的“主戰(zhàn)場”從醫(yī)院內轉移到醫(yī)院外，把維護健康的主要任務從“治已病”轉換為“治未病”。為此，首先要實現(xiàn)理念上的轉變，將人們關注的重心從“治病”轉換為“健康”，把人們維護自身健康的重任從交給醫(yī)務人員負責轉換為自己作為“第一責任人”。其次要提供行動上的支持，為個體健康狀態(tài)的早期監(jiān)測和早期干預提供科學技術的支撐和保障，大力促進物聯(lián)網、人工智能、大數(shù)據等數(shù)字技術在健康管理方面的應用，開發(fā)數(shù)據采集、分析和預測技術，以及基于各種算法和計算模型等的可穿戴設備，為健康狀態(tài)的監(jiān)測、預測和預警提供重要支撐。另外，基因檢測和細胞治療等技術為疾病的早期發(fā)現(xiàn)、精準診斷、精準預防提供了重要手段；“互聯(lián)網+醫(yī)養(yǎng)結合+健康管理”的體系建設和應用，遠程監(jiān)控、診療等服務不斷滿足人民群眾的健康需求，進一步為“主動健康”創(chuàng)造了條件。

尤其值得關注的是，無論是數(shù)字健康還是“主動健康”模式，在帶給醫(yī)療健康領域更多契機，在為人們跟蹤、管理和改善自己及家人的健康提供更多便利的同時，也對倫理、安全的監(jiān)管提出了新挑戰(zhàn)，例如，數(shù)據安全和數(shù)據隱私等方面可能存在監(jiān)管政策的不足或漏洞，需要密切關注這些新問題、新變化，通過完善相關的法律法規(guī)體系，制定評估標準和指南，建立“主動健康”時代的創(chuàng)新生態(tài)和治理體系，以實現(xiàn)全面提升全民健康水平的目標。

（作者為中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所研究員；中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所陳大明研究員及其團隊對本文亦有重要貢獻）

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責編/馬寧遠 美編/李祥峰

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