生命的革命

    科學家預測，生命科學到2015年會取得革命性進展。這些進展可以幫助人類解決很多目前無法醫治的疾病的治療問題，徹底消除營養不良，改善食品的生産方式，消除各種污染，延長人類壽命，提高生命品質，為社會安全和刑偵提供新的手段。有些成果還可以幫助人類加速植物和動物的人工進化以及改善生態環境對人類的影響等。産生新的有機生命的研究也會取得進展。其中有可能取得突破的領域包括：

    1．人類生命的品質和數量

    隨著生活品質的提高，人類的壽命到2015年可以明顯延長。疾病控制、定制藥物、基因療法、延緩衰老和返老還童術、記憶藥物、修復醫學、倣生學移植、動物移植等諸多領域的進展可以繼續改善人類的生命品質並延長人類的壽命。有些領域的進展(例如人造感測器)可以使人類的生理機能超過目前的水準。在這些領域中，發達國家要比發展中國家受益更大。

    2．優生學與克隆技術

    人類到2015年大概有能力利用遺傳工程技術改良人類和克隆人類。這無疑是人類歷史上爭議最大的一個焦點。到2015年是否會廣泛開展這項研究目前還難以預料，而且克隆人類的技術也許到2015年仍然還不夠成熟。不過我們至少可以預見到會有一些利用基因療法治療遺傳疾病的研究和帶有惡作劇性質的克隆試驗。目前關於克隆人類的爭議最遲到2015年會達到高峰。

    生物技術的革命不可避免地要帶來一些問題，也可能出現目前還無法預見的改弦更張。目前在轉基因食品、克隆技術和基因組圖譜方面已經出現了有關倫理、道德、宗教、隱私和環境的強烈爭議。這些問題的出現不應該影響生物技術的革命，不過隨著受到生物技術威力影響的人群的不斷擴大，生物技術在今後15年內會不斷修改自己的發展歷程。

    生物學的革命不僅依賴於生物科學和生物技術的自身發展，而且依賴於很多相關領域的技術走向，例如微機電系統、材料科學、圖像處理、感測器和資訊技術等。儘管生物技術的高速發展使人們難以作出準確的預測，但是基因組圖譜、克隆技術、遺傳修改技術、生物醫學工程、疾病療法和藥物開發方面的進展正在加快。

    基因組學

    2015年生物技術會在有關遺傳基因的下述研究領域取得新的進展。

    1．遺傳圖譜和DNA(脫氧核糖核酸)分析

    DNA分析機和DNA晶片系統的出現可以提高遺傳分析能力，改進藥物研製過程，加速生物感測器的成熟。

    到2015年，人類大概能夠對植物(從大米和玉米等糧食作物到作為紙漿原料的生産性植物)和動物(從細菌到昆蟲和哺乳動物)的基因組進行解碼和描述。由於基因與功能和行為有關，所以人類可以利用動植物的基因圖譜更準確地進行人類疾病的診斷，根據患者的具體症狀和系統反應設計有針對性的藥物，精確預測疾病的發展趨勢並在全球範圍內跟蹤疾病的發展動向。值得注意的是，基因與功能之間的聯繫已經得到普遍認可，但是環境和表現型等其他因素也發揮著重要的修改作用。基因療法也會取得進展，但也許到2015年仍然不夠成熟。

    遺傳圖譜在安全、刑偵和法律方面會發揮重要的作用。DNA識別在安全系統(例如電腦、安全區和武器)的介入控制，通過犯罪現場遺留的DNA殘留物識別罪犯以及藝術品的真偽鑒別等方面可以彌補現有生物計量技術(例如視網膜和指紋鑒別)的不足。遺傳識別有可能成為處理綁架、親子關係認定和詐騙案件的最常用工具。生物感測器(其中有些是利用遺傳方法製造的)也會在探測生物武器威脅、改進食物和水的品質測試手段、健康實時監測和醫學實驗室分析等方面發揮重要的作用。這些技術可以顯著改善疾病診斷、了解疾病發展趨勢和提高監測能力，從而使健康服務的方式發生根本的變化。

    儘管如今有很多人持樂觀態度，但是到2015年仍然還會存在不少影響基因組學發展的技術障礙。對於測序編碼、傳導、異構體調整、激活和最終功能的片面題解都會成為影響生物工程發展的技術障礙。對基因代碼擁有過分的權利也會拖延研究的進展和研究成果的最終應用。但是也不能走另外一個極端，如果不能對測序編碼進行得力的專利保護，也會影響生物技術的商業投資，拖延研究的進展和研究成果的最終應用。

    2．克隆技術

    通過克隆技術人為地産生遺傳性狀相同的有機體對於培育農作物、牲畜和試驗動物具有重要的意義。

    克隆技術可能會成為迅速把人造特性推向市場、繼續保持這些特性以及在研究開發方面生産相同有機體的主要手段。克隆人類的研究在沒有被禁止的國家仍然會繼續，或許到2015年會取得進展。但是世界上大部分國家會出於對倫理和健康的考慮而限制大規模克隆人類。

    3．轉基因有機體

    除了記錄遺傳代碼和精確克隆有機物和微生物之外，生物學家還可以操縱動植物的遺傳代碼，從而給生命賦予某些人工特徵以滿足特定需要。遺傳操作的傳統技術(例如交叉授粉、選育和射線照射)會擴展到在實驗室直接插入、刪除和修改基因。這項技術的應用目標包括糧食作物、生産性植物、昆蟲和動物。

    4．基因組學帶來的問題

    基因組學的巨大潛力為人類帶來了新的機遇，也帶來了不少問題。當人類可以為越來越多的有機物進行解碼並且對基因的功能了解得越來越多時，人們就會越來越關注基因序列的智慧財産權和隱私權。

    製作個人DNA圖譜的能力出現之後已經引起公眾對個人隱私和過度監管的關注，例如公安部門利用DNA簽名數據庫進行犯罪調查，保險公司或僱主利用遺傳基因進行健康傾向預測從而排斥某些人等。根據遺傳資訊確定是否接受保險或雇用的做法已經引發了某些政策問題。倘若遺傳代碼與功能之間的作用機理更加明確，這類問題就會帶來更大的困擾。

    療法和藥物的開發

    除了遺傳學之外，生物技術還可以繼續改進預防和治療疾病的療法。這些新療法可以封鎖病原體進入人體並進行傳播的能力，使病原體變得更加脆弱並且使人的免疫功能對新的病原體作出反應。這些方法可以克服病原體對抗生素的耐受性越來越強的不良趨勢，對感染形成新的攻勢。

    除了解決傳統的細菌和病毒問題之外，人們正在開發解決化學不平衡和化學成分積累的新療法。例如，正在開發之中的抗體可以攻擊體內的可卡因，將來可以用於治療成癮問題。這種方法不僅有助於改善癮君子的狀況，而且對於解決全球性非法毒品貿易問題具有重大影響。

    各種新技術的出現有助於新藥物的開發。電腦模擬和分子圖像處理技術(例如原子力顯微鏡、品質分光儀和掃描探測顯微鏡)相結合可以繼續提高設計具有特定功能特性的分子的能力，成為藥物研究和藥物設計的得力工具。藥物與使用該藥物的生物系統相互作用的模擬在理解藥效和藥物安全方面會成為越來越有用的工具。例如，美國食品藥物管理局(FDA)在藥物審批的過程中利用Dennis　Noble的虛擬心臟模擬系統了解心臟藥物的機理和臨床試驗觀測結果的意義。這種方法到2015年可能會成為心臟等系統臨床藥物試驗的主流方法，而複雜系統(例如大腦)的藥物臨床試驗需要對這些系統的功能和生物學進行更為深入的研究。

    藥物的研究開發成本目前已經高到難以為繼的程度，每種藥物投放市場前的平均成本大約為6億美元。這樣高的成本會迫使醫藥工業對技術的進步進行巨大的投資，以增強醫藥工業的長期生存能力。綜合利用遺傳圖譜、基於表現型的定制藥物開發、化學模擬程式和工程程式以及藥物試驗模擬等技術已經使藥物開發從嘗試型方法轉變為定制型開發，即根據服藥群體對藥物反應的深入了解會設計、試驗和使用新的藥物。這種方法還可以挽救過去在臨床試驗中被少數患者排斥但有可能被多數患者接受的藥物。這種方法可以改善成功率、降低試驗成本、為適用範圍較窄的藥物開闢新的市場、使藥物更加適合適用對症群體的需要。如果這種技術趨於成熟，可以對制藥工業和健康保險業産生重大影響。

    值得注意的是，制藥工業的智慧財産權保護在世界各地是不平衡的。某些地區(例如亞洲)會繼續以生産專利過期藥物為主，有些地區(如美國和歐洲)除了繼續生産低利潤的藥物外會不斷開發新的藥物。

    生物醫學工程

    很多跨學科的研究團隊正在加速發展生物醫學工程，其主要目標是生産各種有機和人造的組織、器官和材料。

    1．有機組織和器官

    設計、製造和修復組織和器官的技術進步可能會導致有機和人造人體部件的誕生。組織再生和組織修復的新進展會繼續提高在人體內部解決健康問題的能力。

    在歷史不超過10年的組織工程領域已經出現了外傷處理用的人造皮膚。用於修復和更換的軟骨生長技術已經進入臨床試驗階段，通過功能組織的生長治療心臟疾病的技術到2015年會趨於成熟。這些進展都取決於相關技術的進步，其中包括具有生物相容性(生物可吸收性)的結構材料、三維導管材料和多細胞材料的開發以及對細胞組織在結構材料上的生長過程的了解等。

    幹細胞療法的研究和應用會繼續取得進展，使人們可以利用這些非特異性細胞增補或取代大腦或人體的功能以及各種器官和結構。科學家在早期胚胎或胎兒組織中發現了最沒有特異性的幹細胞，這引發了一場對在研究和治療中使用幹細胞是否符合倫理道德的爭論。使用成人幹細胞或幹細胞培植等替代方法可以在減少倫理爭議的前提下成為大規模生産細胞的新途徑。

    通過轉基因技術獲得的授主組織、器官抗體和調節蛋白質可以減少排斥，使異種移植技術得到改進。例如，可以通過轉基因技術或克隆技術使狒狒或豬生長出人類移植所需要的器官。但這種技術到2015年不會取得大面積的成功。

    除了排斥現象之外，社會關注也會影響異種移植技術的實際應用。人們可能會擔心動物的疾病會通過異體移植傳染給人類。此外還有倫理、道德和專利方面的關注可能會引起法規對異種移植的限制，影響其應用範圍。

    2．人造材料、人造器官和生物工程學

    除了有機結構之外，設計和製造人類使用的人造組織和人造器官的研究會繼續進行下去。

    當前正在開發的多功能材料可以作為人體的結構材料和功能材料並不斷帶來新的應用。例如，內有疏水內核、外有親水外殼的聚合物可以用來定時釋放疏水藥物分子，作為基因療法或非活性酶的載體或者作為人造組織使用。空間排列穩定的聚合物還可以用來作為投藥途徑。

    人們目前正在開發生物醫學用的其他材料。例如，正在開發之中的氯化膠體可利用氟所具有的電負性高的優勢提高傳遞氧氣的能力(在外科中作為血液的替代品)，還可作為投藥途徑使用。正在開發的水凝膠可以控制其膨脹效果，可作為投藥途徑或組織工程中附著生長材料的模板。具有生物活性的氧化鈣——磷酸鹽——二氧化硅玻璃(凝膠玻璃)、烴磷灰石和磷酸鈣之類的陶瓷材料可作為促進組織生長的網格、海綿和水凝膠使用。開發之中的塗料和表面處理材料可以提高移植材料的生物相容性，例如克服人造血球中內細胞缺乏的問題並減少血栓形成。血液替代品可以改變血液存儲和補償系統，避免血液感染的危險。

    新的製造技術和資訊技術的出現可以使我們能夠根據定制的尺寸和形狀生産生物醫學材料。例如，可以把電腦斷層技術和“快速原型製造技術”結合起來利用反向工程的方法逐層設計新的骨骼，以便根據手部、足部和頭顱的受傷部位定制利用陶瓷材料製造的骨骼。

    除了結構和器官之外，到2015年還可以實現神經系統和傳感系統的人工修復。視網膜和耳蝸移植、脊椎神經和其他神經損傷分流術、其他人工通訊和模擬等技術會得到改進且由於成本的下降而獲得普及，從而消除很多導致失明和失聰的疾病。這可以減少或消除嚴重殘疾對健康的影響，減少社會負擔。

    3．生物擬態學和應用生物學

    大腦功能圖像處理和淘汰動物等最新技術使人們對人類和動物的智力和能力的理解發生了革命性的變化。這些成果到2015年可以大大加深人們對很多現象的理解，例如錯誤記憶、注意力、認知過程和資訊處理等。這不僅可以使人們增加對人類本身的認識，而且還可以更好地設計人工系統，例如自治機器人和資訊系統。神經形態學工程的結構和設計原理是以生物神經系統的結構為基礎的。人們已經利用神經形態學工程的原理設計出新穎的控制演算法、視覺晶片、頭眼系統和生物擬態自治機器人。儘管目前還不能製造與高等生物具有類似智力和能力的系統，但是根據目前的發展趨勢到2015年可能會實現很多有用的功能，例如用吸塵器打掃房間、探礦或進行自治搜索。

    4．外科和診斷用的生物技術

    生物技術和材料科學的進展可能會使外科手術的程式及外科治療系統發生革命性變化，從而大大減少住院時間和醫療成本並改善醫療效果。新的外科工具和外科技術以及新的包囊材料和組織支撐材料的出現，可以不斷減少外科手術的侵入範圍，為醫療技術提供新的途徑。血管成型術等技術可使患者免除很多外科手術，心臟組織的鐳射穿孔等技術可以促進有關組織的再生和復原。隨著成本的不斷下降和經驗的不斷積累，鐳射外科學可以使手術更加精細(例如LASIK眼外科手術可以使患者摘掉眼鏡)。各種圖像處理技術可以提高診斷能力，引導醫生或機器人的手術過程，幫助了解人體和大腦的功能。資訊技術(例如遠端醫學)可以把專業化醫療保健擴展到邊遠地區乃至全球，從而提高治療水準。

    5．生物醫學工程的意義和帶來的問題

    可以預料，到2015年人類可以實現下述目標：投藥系統可以做到目標準確、控制精細，移植和修復的壽命會更長，人造皮膚、骨骼、心肌甚至神經組織可以得到廣泛應用。伴隨這些進展，可能會出現前面談到的一些社會、政治和道德問題。

    科技之光 2002-7-24