第一章
信息革命對生物學研究的影響

在我看來，21世紀最具顛覆性的創新將發生在生物與科技的交叉領域。就像我們迎來數字時代一樣，另一個嶄新的時代剛剛開始。

——史蒂夫·喬布斯

沃爾特·艾薩克森的《史蒂夫·喬布斯傳》

信息革命強大的變革力量深刻影響了所有行業，長遠改變了全球經濟、政治與社會格局。在各個科學領域中，物理學、天文學與大氣科學最早獲益，自20世紀60年代起便直接受益于大型計算機和超級計算機的發展。半導體電子、個人電腦與互聯網的發展進一步加速了信息革命，促成了最令人矚目的科技進步。這些具有歷史意義的創新成果成了生物科學、生物技術與制藥行業的催化劑，為這些行業帶來了驚人的創新技術能力。

生物領域的科學進步高度依賴于新技術和新設備的發展，依賴于分辨率、精度、數據采集與產生能力的不斷提升。在表1—1中，我們以10年為單位，總結了影響生物領域的里程碑式技術創新事件。

表1—1 里程碑式技術創新事件（以10年為單位）

在20世紀的大部分時間里，生物學研究都借助物理學設備來觀測細胞與大分子結構，并測量原子尺度的尺寸。在前數字時代，科學家用紙張或磁鼓、磁帶、X光片、照片等物理介質記錄實驗觀測和實驗數據。接著，基于微處理器的計算實現了從模擬數據到數字數據的轉換，隨之而來的是半導體電路上的隨機存取存儲器。這些技術帶來的數字化數據流和千萬億字節級數據存儲對現代科學至關重要，它們不僅幫助研究人員跟上了信息洪流的步伐，還帶來了網絡科學和研究數據廣泛共享的可能性，而后者正是科學進步的基本特征。

進入21世紀，信息革命對生物學的影響有增無減。指數級提升的算力衍生出輔助數據獲取、分析與可視化的復雜軟件，并實現了大規模高速數據通信。許多誕生于這個時代的新學科都受益于高分辨率計算技術與工具的產生。其中，最為重要的成果包括：DNA合成與測序設備為基因組學和計算生物學奠定了技術基礎，功能性磁共振成像催生了計算神經生物學，冷凍電子顯微鏡、核磁共振和超分辨率顯微鏡帶來了結構生物學，幾種計算密集型光譜技術（例如基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜法、表面等離激元共振和高性能計算）打開了計算藥物發現領域的大門。同樣，20世紀物理學突破與計算技術的應用誕生了一系列成像技術，它們促進了醫學領域的發展。

信息革命讓生物學實現了從“數據匱乏”到“數據豐富”的轉變，并帶來了出人意料卻又極其重大的影響：它引發了一場范式變革，讓生物學成了定量科學。生物科學和生物醫學研究已從數據科學、數學和工程工具中受益，它們共同推動了“大科學”的實現。這包括人類基因組、蛋白質組和微生物組項目[1][2][3]；美國腦計劃和歐盟腦計劃[4][5]；其他國際項目，例如癌癥基因組圖譜與國際癌癥基因組聯盟[6][7]；政府支持的人口健康與精準醫療項目，例如美國百萬人全基因組數據庫計劃，英國生物銀行與十萬亞洲人基因組測序項目GenomeAsia 100K。[8][9][10]信息革命創造了定量方法，定量方法實現了“大數據”的管理與分析，并最終推動了“組學”技術，尤其是基因組學、表觀基因組學、蛋白質組學和代謝物組學的發展。

在這一章中，我們將探討信息革命對生物學研究的影響。計算對工業的巨大影響也被稱為第三次工業革命，所以本書還將深入剖析第四次工業革命[11]——物聯網的高度互聯傳感器、機器學習與人工智能、生物技術、數字制造等技術正在共同創造未來。在接下來的幾十年里，這些引發第四次工業革命的技術將帶來計算生物學。與銀行業、制造業、零售業和汽車行業已經經歷的經濟轉型類似的是，擁抱即將到來的創新熱潮將為制藥業帶來巨大的回報。