《生物学概念与途径》课程由饶毅2008年在北京大学设立和主持，面向所有大学生和研究生，目的是让年轻的学生了解生物学历史上，一些重要的概念是如何提出的，一些重要的途径和方法是如何用来解决重要且有深刻意义的生物学问题的。 大部分内容由饶毅讲授，带着大家一起解读1866年孟德尔的遗传学论文，解读1910年摩尔根的果蝇论文，解读1944年Avery、McLeod、McCarty如何提出DNA是遗传物质的论文。这些经典性的工作，让我们从思想上理解科学研究是怎么做的。 北京大学物理系的汤超教授、哈佛大学的谢晓亮教授、北京生命科学研究所的王晓东教授、北京大学化学院何川教授、清华大学的施一公教授、北京大学的植物生物学的邓兴旺教授和顾红雅教授，分别从物理的定量、化学与生物的交叉、生物化学的经典实验、化学角度的生物大分子、结构生物学、现代农业生物技术与种业发展、驱动演化的“力”等多学科，多角度讲授重要的概念和途径。 本课程重思想，重交叉，重培养学生的科学能力；培养科学研究的价值观（比如判断什么是好的科学），力求为未来科学探索树立参照系；老师提供一个起点，能看的多深，发展多远，取决于同学们的天赋和努力。 希望大家通过我们的慕课有所收获。
1. 科学革命的起源与发展
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生物学概念与途径
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下一次科学革命－第三次生命科学革命-汤超
2009年5月13日，郝克菲德在美国科学进步协会以“下一轮创新革命”为题做了演讲，简短但深刻地阐述了刚刚拉开帷幕的第三次生命科学的革命，即工程和物质科学与生命科学强有力地交叉、融合而带来的革命。本次课程主要从物理学家的视角讲解现代生命科学及其发展趋势。回顾科学革命，分别介绍经典物理学的起源，工业革命和信息革命，重点讲解了第三次生命科学革命，以生物系统的适应性、生物网络、基于网络的药物设计以及细胞命运转换为例，强调学科的交叉和定量的重要性。
Meet the Instructors
饶毅教授
[音乐] [音乐]
好，那我们开始。
这个，我今天就给大家讲一个
讲一些，讲一些，泛泛地讲一些概念。
讲一个，嗯，现代生命科学的一个形式吧。
就比较广，涉猎的比较广， 不是专注于某一个，某一个方面，而是一个比较大的一个趋势。
那这个就是现代生命科学呢， 正在经历了一场很大的变化，
这个，因为我们要讲生命科学的革命， 所以我们先来回顾一下科学革命。
最有名的科学革命，标志性的科学革命呢， 也就是这个，嗯，嗯，
几百年前，在欧洲发现，在欧洲开始的就文艺复兴不久紧接着来了一场科学革命。
文艺复兴是把人的思想都给解放了，从这个神权呐，宗教中，
给，给，给打开了，当时主要是人文但是跟着来的就是科学，
也是一个思想解放，就不光是认识自己，还认识自然。
所以那，那，那个一两百年发生了很多很多 事，为整个现代科学奠定了基础。
啊，大家都会看到很熟悉的名字， 哥白尼我们待会会说，维赛留斯，
啊，这个1543年出版的人体构造，血液循环，
他都搞清楚了，吉尔伯特他写了一本很有名的关于磁的这个书，
啊，这个我们待会也会说第谷，非常有名的 天文学家，培根大家都知道，
伽利略、 开普勒，我们待会都会说，哈维也是血液循环，笛卡尔，
我们现在用的三维坐标，笛卡尔坐标，二维坐标，笛卡尔坐标，就是从他来的。
笛卡尔，他是那个演绎推理的一个一个先驱。
然后这个第一个这个显微镜，列文霍克也是那个时候，
他用来看第一个来看的细菌，然后牛顿，当然是大家都知道，
[无声]
那我们回顾一下里面最著名这一系列的革命中，最著名的也是最重要的一个革命，就是现代物理学的诞生，物理学的革命。
这个物理学的革命也是始于这个 大家对大自然的好奇，啊，观察。
那个时候也没别的好看，是吧，晚上也没电，
也没有，也不能玩手机，也不能转微信，就是每个人就是看星星，大家只能看星星，晚上啥也没有。
这个全世界各民族都看星星，看多了呢，大家就会好奇，
就会做很多记录，啊，这个星星今天晚上什么位置，
明天晚上什么位置，每一天一天记下去，一年一年记下去。
然后记多了呢，就想找到一些规律，哎，这些星星运动了，
有没有规律，然后就提出一些理论， 是吧，比如这个地心说，这是一个非常
它在当时来说是一个非常严谨的很有道理的一个理论。
这个也是科学，不能说它不是科学，只不过是后来
被这个这证明说它是不全面的。
这个 当然觉得我们是中心，所以围着我们转。
这个的，这个鼻祖呢，是托勒密。
他的地心说呢，实际上是非常严谨的，根据当时的观察数据呢，他的地心说可以解释很多很多观测的数据。
因为当时数据没有那么精确，就像你们现在做生物，就跑跑western，看看有还是没有，
是吧，也不知道它到底是多少？变化怎么？都不太清楚。
就当时的分辨率也没那么高，所以呢，他的理论呢，
啊，可以解释很多的观测，当然你想因为地球确实不是中心嘛，
所以你一定要说地球在中心，太阳，行星都围着地球转的话，
你就要做一些很多这个微调来，来，来符合你的理论。
所以呢，这个各种各样的这个对模型的修改也都出来了。
啊，所以不光有这个围着地球转的大圆，还有小圆，所以它是这么转的。
它为什么要这么转呢？因为他的解释有些行星 傍晚的时候升起了，然后又下去了，
所以它不是它那不是单调的，所以下去了，它为什么会下去呢？你看就是这样，往前就升起了，往后就下去了，是吧，所以他解释这种现象。
所以每一个行星包括太阳 都有好多参数，包括这个大圆参数，小圆参数
大圆周期、 小圆周期，喔，这还不够，后来又继续修正到地球
不是严格的数学中心，你会发现呢，还要把这个地球偏一点， 才能用来拟合一些实验数据，所以你看弄得很多这个
一个一个非常庞大的比较复杂的一个一个，一个理论。
每一个行星呢，都有一套它自己的参数，都有它自己一套，
啊，这个运动的规律，这个统治了很久这个地心说，
到后来呢，哥白尼提出这个日心说，它是一个非常革命性的观点。
他这个提出这个观点呢，可能从美学的角度，
从这个逻辑性的角度上面来可能比他那个实际上的解释数据要更多一些。
因为他的这个日心说呀，确实把很多东西简单化了。
但是呢，因为当时的 数据也没，还是没那么精确，而且他的日心说呢，也不是椭圆，
是圆，所以呢他并不能解释更多的 比地心说解释更多的这个，这个观测的数据。
啊，所以当时是一个他们两个是竞争的地心说，日心说。
就是没有，如果他当时一提出来把所有数据都解释了，那早就把他打败了。
对吧，他解释不了，所以是观念，观念上的一个革命, 然后一个非常非常大的推动是
第谷，这是一个丹麦的天文学家。
丹麦的皇家给了他一个岛，一个不大的岛，他在一个岛上建了一个天文台，
专门给他岛来，来，来观测这个星星的运动
然而他造的这些，这个这个观测的仪器呢，造的很好，造的比别人都好。
所以他呢，观测也比别人都准确，就分辨率很高，用现代生物的话来说呢，现在什么super
resolution 什么，这个，这个，这个，这个高分辨呐， 是吧，是一回事，就是他把观测的精度提高了很多，
分辨率提高了很多，他收集了大量的数据，收集了大量的数据，
这是一个非常非常的关键。
如果没有第谷的这些前期准备的话，那牛顿那时候也出不来，也不会有开普勒，那也不会有牛顿。
那肯定要等一会，然后他自己呢，也发现完全的这个
日心，地心说啊，解释不了他的数据，但是呢他又没有完全地放弃。
啊，这个地心说，虽然搞了一个这个一个一个叫hybrid的模型。
那他的模型呢，地球还是中心，月亮围着地球转，
太阳也围着地球转，但是所有的其它行星围着太阳转。
所以他又进步了一点点，但是还是没有彻底的
这个这个跳出来，然后那个时候呢，
新工具的这个，这个，啊，使用了也对这个 地心说、
日心说之争啊，提供了很大的一些一些这个 证据帮助，啊，比较有意思的是伽利略。
伽利略第一个用望远镜，望远镜不是他发明的，但是他把他望远镜改造，改造以后呢就观察行星的运动，观察行星的运动。
所以你看仪器、 工具、 观察这些都是
最基本的东西，非常非常重要，你让他看见什么东西呢，他看见两件事：一个是他看见木星有四个卫星，
用他的望远镜看到，这个大家震动的非常大，就觉得竟然还有东西可以围着别人转，不是都是围着我们地球转。
是哇，这整个一个大家的观念变化很大，还有呢他就看见金星啊，
他跟我们月亮一样，有阴晴圆缺，有时候你看见它是满的，有时候是半的，有时候它是阴的，
啊，这个我们用肉眼看不太出来，我们肉眼只能看到亮度的变化，但用望远镜你确实能看到，
所以这个这个最好的解释就是说其实金星是围着太阳转。
我们在这，啊
然后真正定量规律的提出，啊，这又是一个飞跃，一个很大的革命，就是从这些所有的数据里面。
总结出很基本的定量的规律，这就是开普勒。
开普勒呢他对天文一直很感兴趣 那当时天文最有名的就是第谷，他有很多数据，他的
data 也是 这个这个仪器也是最好的，data 也是最全的。
他就去跟第谷工作，按照我们现在的话说呢，就是他要去做第谷的博士后。
啊，结果两个人合不来，嗯
第谷很不喜欢他，所以有时候跟老板合不来不一定是坏事。
他也不在乎，合不来就合不来 那他也就死皮赖脸就呆在那。
然后这个 然后第谷呢也觉得不想跟他合作，但又赶他不走。
就把自己觉得最没有意思，最没有希望的数据都丢给他。
那什么是最没有希望的数据呢？那是火星的轨道。
因为火星的这个椭，椭球性椭圆性是最大的，
你假定它是一个圆，围着地球转的话，那可能看起来就是这个样子，简直是一塌糊涂,根本就没有什么规律。
所以这个第谷觉得这个是这个这个这个是不可能的事，你去搞吧，你去搞吧，哎，结果开普勒他也，他也不在乎。
他就研究这个这个火星的这个数据。
哎火星的数据还是最多的， 特别多，而自己他也收集了很多。
然后他就整出了三大定律， [笑声]这个非常非常了不起。
现在来看好像觉得三大定律很简单嘛，是吧，我们中学都学过嘛。
就是这三大定律，为整个现代科学现代物理学奠定了基础， 就以这个三大定律为跳板，这牛顿就一下跳到这个
万有引力跟这个牛顿方程了，待会我们会讲，然后再物理学就诞生了。
这个三大定律呢，非常非常简单 非常非常定量。
然后还有一个非常非常有意思就是说，他把所有的行星运动
都统一起来了，所有的行星运动都满足这三大定律。
我们不需要再去调那些什么这个大圆、 小圆，地球跟中心又偏离多少， 搞一大堆东西。
非常简单三个东西，所有的行星运动都符合，所以这是一个普适性，是科学里面的普适性，对吧？
所以科学的东西往往是普适的，如果你发现你做的东西呢
很杂七杂八乱七八糟，那可能就还没到科学的地步。
这个，啊
开普勒是怎么想到这些东西的呢？不知道，也可能他做了一个梦 是吧？但是有一个说法，有一个说法。
他怎么忽然想到，他怎么就会忽然想到这是一个椭圆，而且太阳是一个焦点？
有个说法就是说 他觉得这个数据太多了，太乱，他看不过来
有点像我们基因表达全基因组啊，GWAS 啊。
这个这个这个蛋白质组啊一大堆在那。
他分析不过来，他觉得太乱。
他就把这些数据呢 不是一年有 365 天吗，他把 364
天都丢掉 他每年只看一天的数据，比如 1 月 1 号
看个 10 年、 20年，就看每年的 1 月 1 号，有什么好处呢？
大家想想看有什么好处。
如果我就看火星每年 1 月 1 号，我就看火星在什么位置, 而不是说我每天都看它在那。
[空白音频] 你们猜一下吗？
你们会丢掉那么多数据吗？ 因为我们地球不是在转吗，围着太阳
所以地球是在动的，如果我每年 固定一个时间，比如
1 月 1 号我来看的话，地球是不动的 它就等于是在空间的一个点
他们来看火星每年，虽然我很多东西我都不看的，但我每年来看火，一年一月来看火星。
他就看这火星可能是围着太阳转的，而且可能是椭圆。
他要每天看就是这个样子。
所以数据多了， 有的时候搞不清楚，怎么分析
有时候就是关键了。
好 那牛顿在开普勒基础上，又往前走了一大步
他走了哪大步呢？ 他就说，其实，开普勒你那三大定律呢
都是一个更大的体系里面的一个，一些特例。
这个更大的体系是什么东西呢？就是说都有万有引力， 所有的两个，两个物体之间都有引力，包括行星和太阳。
然后呢，它们的运动呢，满足他的第二定律 F
F= ma，就这两个东西 就可以把开普勒三大定律给推出来。
他不光把开普勒三大定律给推出来，而且他说
这些东西啊，不光是用，可以用在行星的运动，也可以用在苹果掉下来，也可以用在这个过山车，也可以用在我们打这个 Baseball。
所有的力学运动都满足我这 很简单很简单的牛顿定律，这显然又是一个非常非常大的
这个这个革命，对吧。
这是把它给普适化了 开普勒是把它给在行星里面普适化了，定量化了。
牛顿是把它这整个 走出了这个行星运动，整个在这个这个这个宇宙给普适化了。
就是，就是这个很简单的定律，定量的定律。
然后呢，他 为了把这些东西搞出来呢，他还把微积分顺便给发明了。
因为，因为，他为什么要发明微积分呢？因为这个
这个加速度啊，不一定总是常数，这个自由落体加速度是常数。
如果你只研究自由落体的话，你不用发明微积分，他可能也不会发明微积分，因为他觉得够了。
那行星运动是个椭圆,你们学物理的话，知道椭圆，那这个如果是圆的那个加速度是个常数对吧？
离心力嘛，离心加速度嘛，如果椭圆的话，它就会变
所以加速度会变，会变的话这个这个那就要用这个变化的概念了，所以他也把，把微积分给整出来了。
所以你看纪念他这个邮票都是这个，他的这个 这是
F= ma，这是牛顿最早的形式，动量的变化是力乘以作用在那个那个那个上面的时间的区间。
这是比较小的小量，到后来就成了微积分了。
好，那我们总结一下我们刚才这个说的这段历史。
经典物理的起源也是，实际上也是现代科学的起源。
从观测开始, 数据积累，也是出于我们对大自然的好奇，
不是出于说很早以前大家就有一个皇帝宣布，我们要向科学进军什么之类的。
或者是大家那个时候着急要治病，非常功利的，不是。
全，完全是好奇，所有的最好的科学，最漂亮的科学 几乎都是出于好奇心。
这个数据积累。
然后呢 积累很多数据当然是会提出一些模型，想去解释这些数据。
然后提出了很多表面的、 唯象的比较初步的模型。
然后这两个之间是相互，一直相互作用的，然后有更多的数据，技术进步，更精确的数据高分辨率。
原来模型解释不了了，大家又去想，提出什么新的模型。
就这样反反复复，最后提出一些比较定量的规律，最后总结成一个比较普适的原理，往往伴随着数学语言的发展。
如果这个时候 定量规律到普适原理，已经有的数学不够用的话，那可能就要
发展新的数学，比如牛顿力学，当时数学就是不够用 所以发展了微积分。
那我们现在生物学在哪呢？ 我们很荣幸生物学不在这儿
我们也很荣幸生物学不在这儿，否则大家就不用来学了，是吧？ 我们生物学大概在这儿。
在技术进步，好像有些定量的规律在这徘徊。
所以是一个很有意思的时候，所以你们看刚才的物理学的革命，就觉得这个时候其实是很有意思的一个
时候。
好，科学革命不久就带来了工业革命。
这是给大家一个，一个这个一个概念，就是这些
科学革命会给这个社会带来什么样的一个变化。
这个纵轴是人均 GDP 世界的。
这个没有没有数据的点呢，不是说 GDP 为零，而是数据没有
没有统计，丢失了，搞不清楚就没有。
这个从公元 1 年一直到差不多快到现在吧， 你看，基本上是没变。
那科学革命大概在这，紧接着工业革命就在这。
科学革命、 工业革命以后呢，文艺，文艺复兴大概在科学革命前
面一点点，这个启蒙运动，那就是，就是挡不住了，就是一个指数上升。
到现在基本上还是指数上升，一个科学革命接一个科学革命。
所以本来我们是很平静的
你也可以说我们很可怜，也可以说我们很幸福，看你怎么定义。
从科学革命开始就整个世界就变了。
这是到 2003 年的。
你们比较熟悉的科学革命是信息的革命
对吧，每个人都有计算机，每个人离不开 iPhone，每个人都有微信群。
信息革命大概在 40 年代初开始吧，从第一台数字电脑开始。
这个电脑是，我不知道大家看没看一个很好的这个电影叫模仿游戏是吧？非常好，如果没看过的话应该去看一下，
就讲这个 Alan Turing 的故事。
这个啊, 从这个数字电脑开始，一直到现在
技术变化，技术进步非常快，随之而来的各种各样的这个应用
带给社会，带给经济，带给家庭,都让这个,这个这个社会发生了很大的变化，可能你们最
至少男生感受最深就是说你们这个游戏可以越玩越快了对吧
那个游戏，越来越 fancy，越来越越不得了。
这个然后从移动电脑，互联网，到这个 iPhone、 iPad 等等等等。
这个革命呢 是一个物理、
材料、 信息科学的一个交叉，这不是哪个领域单独能发生的。
物理提供了什么呢？ 物理提供了它的一些基本的东西，量子力学。
有了量子力学才知道可以有半导体 可以有二极管、
三极管这些东西，这是基本的元件嘛。
然而而且物理呢可以指导材料。
材料是一个物理的应用科学，它的发展也非常非常重要。
这牵涉到我们后面说的这个这个，待会说这个 Moore's Law，就是我们的计算机越造越快，越造越快，越造越快，
这跟材料的进步也是分不开的。
当然很 重要的，你所有这些东西只是硬件，对吧，你没有一个信息科学作为支撑的话
这革命也是不可能的，所以这个包括信息论。
现在的这个互联网,整个信息科学，所以是一个高度交叉的一个一个革命。
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