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體系.而進入21世紀后，隨著生物學、醫(yī)學和信息智能技術的進步，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，宏觀、介觀到微觀的影像學技術，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和關鍵技術支持.

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

細胞是生命的基本結構和功能單元，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系是理解人體生命和疾病機理的基礎.

“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，建設人類細胞數(shù)字化基礎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) 建設人類細胞全信息基礎參照系, 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，設計結構化、空間、時序、狀態(tài)和功能等屬性的細胞圖譜信息架構，建立統(tǒng)一的細胞信息表示基礎參照系.

2) 構建細胞全息圖譜,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，為圖譜建設提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準與信息技術.

3) 研發(fā)數(shù)據(jù)、知識與假說共同驅動的多組學數(shù)據(jù)深度挖掘和關聯(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 總結與展望

基于控制論、系統(tǒng)論的思想應用對生命建模，構建完備的數(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.