數(shù)基生命系統(tǒng)
——用控制和系統(tǒng)的觀點對生命的數(shù)字化建模

1948年，維納在其著作《控制論：關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學》中提出“控制論”概念，指出控制規(guī)律既適用于無生命的機器，也存在于生命體中.此后，工程控制論蓬勃發(fā)展，逐步形成完備的理論和技術(shù)體系.而進入21世紀后，隨著生物學、醫(yī)學和信息智能技術(shù)的進步，對生命系統(tǒng)的深度干預和控制成為可能，也成為各科技強國競逐的焦點.而深度干預和控制的前提是精確地描述生命系統(tǒng).

生命是一個復雜、動態(tài)、交互的系統(tǒng)，宏觀層面有神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等的相互作用，微觀層面有DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物等生物分子的相互作用，同時生命體與環(huán)境還存在復雜的交互過程.我國著名信息學家李衍達院士認為要描述這些過程，傳統(tǒng)的還原論是不夠的，必須使用復雜系統(tǒng)科學的理論和方法.一方面，研究表明生命系統(tǒng)里很多過程和機器系統(tǒng)一樣，也遵循傳統(tǒng)控制論里的基本原理.例如，僅僅在基因調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導中，就可以歸納出七種典型的控制環(huán)節(jié)：串聯(lián)控制、分支控制、負反饋控制、簡單正反饋、復雜正反饋、條件控制和延時控制.可以認為，生命體是典型的包括感知、反饋、作用的閉環(huán)控制系統(tǒng).但李衍達院士也強調(diào)，另一方面，生命又是一個典型的復雜系統(tǒng).生物系統(tǒng)不能用傳統(tǒng)的簡化模型進行分析，而應該用復雜系統(tǒng)科學的理論和方法.生命體無論在宏觀還是在微觀層面上都具有復雜系統(tǒng)的性質(zhì)，只有用復雜系統(tǒng)的觀點才能理解生物的非線性、涌現(xiàn)等特性.基于海量生物學數(shù)據(jù)的系統(tǒng)方法學研究被認為是獲得對復雜生命系統(tǒng)全面認識的必由之路.

2020年，清華大學自動化系的張學工教授提出“數(shù)基生命系統(tǒng)”的概念.數(shù)基生命系統(tǒng)力圖在數(shù)字空間中實現(xiàn)生命體孿生系統(tǒng)，通過對生命全方位跨尺度的數(shù)據(jù)感知和數(shù)字化建模，實現(xiàn)對生命機理從微觀到宏觀的全方位數(shù)學化理解.真正讀懂從宏觀到微觀各尺度的生命“天書”，理解正常與異常的生命，理解生命的發(fā)生、進化、生長、疾病、衰老和死亡，理解生物的新陳代謝、應激與調(diào)控，從而真正理解生命的本質(zhì).目前，數(shù)基生命的研究剛剛起步.我們認為，由于控制環(huán)節(jié)在生命系統(tǒng)中普遍存在，數(shù)基生命研究中控制論、系統(tǒng)論的觀點必不可少.

1 數(shù)基生命系統(tǒng)的本質(zhì)與內(nèi)涵

數(shù)基生命系統(tǒng)是一種新的思維與范式，通過對復雜的生命體的系統(tǒng)建模，對認識生命這種復雜的現(xiàn)象和機理，對疾病的預防、診治、康復具有重要的價值.數(shù)基生命建模用信息科學與系統(tǒng)科學的思想來看待生命現(xiàn)象，在系統(tǒng)層面上對生命過程進行全方位跨尺度建模，揭示其機制與規(guī)律，進而對生命過程中不良事件進行預測和干預，實現(xiàn)對健康與生命過程從檢測到分析再到控制的閉環(huán)；基于控制與系統(tǒng)的思想，利用信息和計算的手段，通過對大量復雜的宏觀、微觀生物數(shù)據(jù)的分析，認識復雜生物過程內(nèi)在的調(diào)控機理，用數(shù)學模型定量地理解和刻畫復雜生命系統(tǒng)，逐步建立對生命機理的定量模型，將生物體納入到閉環(huán)控制系統(tǒng)之中.

在數(shù)字和數(shù)學空間中精準建立生命體的數(shù)基模型，包括：

一是對生命的全方位數(shù)據(jù)感知和數(shù)字化表示，也就是控制系統(tǒng)中的傳感部分，通過全方位跨尺度、多模態(tài)生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)，把人體表征為數(shù)字化實體.基于分子層面的高通量組學技術(shù)，宏觀、介觀到微觀的影像學技術(shù)，各種臨床生理病理檢驗，快速發(fā)展中的可穿戴、可植入的生物兼容傳感技術(shù)等，實現(xiàn)人體生物信息的系統(tǒng)檢測，實現(xiàn)對生命體全方位、多模態(tài)的信息感知.

二是生命體全維度、多尺度的層次系統(tǒng)模型，也就是基于系統(tǒng)科學的思想，在數(shù)字實體中建立貫穿分子、細胞、組織、器官、系統(tǒng)、人體的生命系統(tǒng)數(shù)學模型，是不同尺度下、超耦合、多反饋的超復雜控制系統(tǒng).而這樣的應用場景對控制系統(tǒng)的研究提出了新的挑戰(zhàn)，將大大擴展控制問題的內(nèi)涵和外延.

三是在一般性數(shù)字孿生基礎(chǔ)上，融合個人基因組、生理病理和生活環(huán)境等數(shù)據(jù)，建立個體化數(shù)字孿生，模擬個體健康演化和疾病發(fā)生發(fā)展過程，智能推演過程中各種因素的作用，實現(xiàn)重要生命過程定量評估、精準的動態(tài)健康指導和疾病治療方案的精準優(yōu)化，讓數(shù)字實體“活起來”，模擬生老病死各種生命過程，形成人體“數(shù)字孿生”，在生命健康領(lǐng)域為國家的“虛擬現(xiàn)實”、“元宇宙”等數(shù)字經(jīng)濟戰(zhàn)略布局奠定理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支持.

2 數(shù)基生命系統(tǒng)在微觀尺度的切入點——人體細胞圖譜構(gòu)建

細胞是生命的基本結(jié)構(gòu)和功能單元，是在微觀尺度上描述生命體的重要元素.細胞中基因表達決定了細胞類型、狀態(tài)和功能，大量多樣性的細胞通過復雜相互作用構(gòu)成人體復雜系統(tǒng)，從控制與系統(tǒng)的角度，全方位刻畫和理解各類細胞的特性和相互關(guān)系是理解人體生命和疾病機理的基礎(chǔ).

“細胞圖譜”是指對人體所有細胞類型和狀態(tài)進行刻畫，形成人體單細胞分辨率的 “地圖集”.細胞圖譜的復雜性和信息量高于基因組多個數(shù)量級，對信息學提出了前所未有的挑戰(zhàn)；同時微觀尺度上細胞時空布局具有多樣性和不確定性，缺乏確定的低維坐標體系；不同來源的數(shù)據(jù)在細胞類型標注等方面存在較大差異，缺乏統(tǒng)一的細胞信息表示體系.

用單一、獨立、靜態(tài)的數(shù)據(jù)分析與建模方式顯然無法滿足構(gòu)建“細胞圖譜”的要求，因此動態(tài)、互作、融合的復雜系統(tǒng)科學方法與反饋控制的思想必須引入到研究體系中，建設(shè)人類細胞數(shù)字化基礎(chǔ)參照系和重要器官細胞圖譜，研究各類細胞分子特性、內(nèi)在規(guī)律和深層關(guān)聯(lián)，揭示生理病理過程中細胞、器官和系統(tǒng)的多重復雜性，建立基于細胞參照系和圖譜的醫(yī)學研究新范式和示范應用，包括以下模塊：

1) 建設(shè)人類細胞全信息基礎(chǔ)參照系, 探索細胞系統(tǒng)的信息特性和多維度復雜性，建立統(tǒng)一的細胞多組學數(shù)據(jù)的集成標準，設(shè)計結(jié)構(gòu)化、空間、時序、狀態(tài)和功能等屬性的細胞圖譜信息架構(gòu)，建立統(tǒng)一的細胞信息表示基礎(chǔ)參照系.

2) 構(gòu)建細胞全息圖譜,基于細胞參照系框架，研究人體器官細胞全息圖譜的要素、表征和呈現(xiàn)方式，研發(fā)圖譜組裝、信息表征、可視化呈現(xiàn)的技術(shù)，為圖譜建設(shè)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準與信息技術(shù).

3) 研發(fā)數(shù)據(jù)、知識與假說共同驅(qū)動的多組學數(shù)據(jù)深度挖掘和關(guān)聯(lián)解析方法， 挖掘發(fā)育和疾病發(fā)生等動態(tài)過程中的復雜規(guī)律和關(guān)鍵節(jié)點，研究細胞圖譜中器官、細胞、基因的多維度全息刻畫建模方法，挖掘疾病與健康狀態(tài)系統(tǒng)差異.

3 總結(jié)與展望

基于控制論、系統(tǒng)論的思想應用對生命建模，構(gòu)建完備的數(shù)基生命系統(tǒng)是一個很長遠的目標，但數(shù)基生命系統(tǒng)并非在完全解碼生命機理后才能建立和發(fā)揮作用.它既是一個目標，也是一種新的研究范式.當我們從某個尺度入手，把對生命的研究映射到數(shù)字空間中，同時采取控制、系統(tǒng)的思想將信息、數(shù)據(jù)的采集、反饋、作用通過在數(shù)字空間中的數(shù)學模擬、校驗觀測數(shù)據(jù)、外推科學發(fā)現(xiàn)、再反饋到科學實驗，這種數(shù)基-碳基耦合的科學研究模式將加快對生命機理的認識進程，促進對于生命個體發(fā)育、衰老、疾病乃至對生命的演化、生命與非生命構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)的理解, 完善對復雜生命現(xiàn)象和規(guī)律的定量探索.

同時，生物是典型的復雜巨系統(tǒng)，其研究可以推動復雜系統(tǒng)相關(guān)理論與方法的發(fā)展，催生新的控制理論與方法.生命體中的控制與系統(tǒng)問題將豐富控制論與系統(tǒng)論的內(nèi)涵，拓展其外延.