【摘要】生物技術與信息技術的融合發展，顛覆了生命科學的傳統研究范式，提升了人類認識生物、調控生物、改造生物的能力，同時啟發了信息技術的仿生研究和發展，驅動新興信息技術的開發。兩者的深度融合，塑造了新產業和新業態，為生物經濟的發展帶來重要機遇，不僅為破解人類發展所面臨的健康、能源、資源、環境等重大問題提供了新思路、開辟了新路徑，也改變了人們的觀念和生活方式，尤其是促成以“疾病”為中心向以“健康”為中心的轉變、從“治已病”向“治未病”的轉變，推動“主動健康”模式的形成。

【關鍵詞】生物技術 信息技術 產業模式 生物經濟 主動健康

【中圖分類號】G35 【文獻標識碼】A

當前，新一輪科技革命和產業變革加速演進，生命組學、合成生物學、腦科學等生命科學的研究，基因編輯、細胞工程、生物傳感等技術的開發和運用，推動人類在認識和理解生命的尺度、維度、深度上不斷深入；同時，云計算、大數據、人工智能等新興信息技術正廣泛滲透和應用于各領域，助力千行百業的數字化、智能化發展。近年來，生物技術（BT）與信息技術（IT）的跨界融合，已成為大國博弈的戰略制高點，正在催生學術新思想、科學新發現、技術新發明、產業新方向，重塑創新鏈和產業鏈。兩者的融合，不僅為生物技術、信息技術各自的進步和發展帶來重要機遇，同時也為各行各業的高質量發展、經濟社會的可持續發展帶來新動力。

生物技術與信息技術融合發展的背景

當今學科在日益細分的同時，學科間的交叉融合正引領科研范式變革、驅動重大原創突破。其中，生命系統和信息系統在其知識體系中既有其共通的復雜性原理，又有其各自知識范疇內的差異化特征；生物技術與信息技術交叉融合，正成為學科“會聚”的典型范式。

“會聚”概念的提出及其意義。人類的科技發展史，就是一部多學科交叉、跨領域融合發展的歷史。多學科研究也是推動20世紀科學和技術發展的主要動力。通過不同學科之間的高度融合，往往會衍生出全新的學科，例如，化學、物理學與生物學交叉形成分子生物學、生物化學、生物物理學等。當多學科的知識融合和技術集成，用于系統解決復雜問題時，“會聚”（Converging）的概念便應運而生。在此背景下，美國國家科學基金會（NSF）先是在2001年聯合其他部門提出“會聚技術”（Converging Technologies），后又在2002年發布《聚合四大科技，提升人類能力——納米技術、生物技術、信息技術和認知科學》報告，強調了納米、生物、信息、認知技術的融合或集成。“會聚技術”概念的提出，為研究策略和研究過程提供了新范式，其意義在于突破了學科邊界，使不同領域的理論、技術和方法得以集成，并成為重大問題的系統性解決方案。美國國家科學院在其2014年發布的《會聚觀》戰略報告中指出，“會聚”體現了交叉學科研究的擴展形式，專業知識構成研究活動的“宏觀”模塊，而各個“宏觀”模塊又組合形成一個更大的整體。在會聚技術中，生物技術和信息技術具有系統性、綜合性等特點，兩者的融合有望成為科技和相關產業新發展的突破口。

信息技術對生物技術的賦能。現代生命科學與生物技術的發展，經歷了從分子生物學、基因組學到會聚研究的三次革命。20世紀中葉，DNA雙螺旋結構的發現、“中心法則”的提出，奠定了現代生命科學與生物技術的發展基礎。20世紀70年代以來，限制性內切酶和基因載體的發現，及其相關轉化技術的發明和應用，最終促成以DNA重組技術為標志的分子生物學革命，并為“寫基因”奠定了關鍵的技術基礎。從此，以基因克隆、基因定向突變等為基礎的基因工程、代謝工程等一系列分子生物學技術得以蓬勃發展。

20世紀90年代，人類基因組計劃的成功實施，標志著生命科學的研究全面達到基因組水平。人類基因組計劃就是以多學科交叉、多技術綜合手段，有組織、有計劃地開展以追求重大科學發現、重大科學數據積累為目標的“大科學”研究范式。繼基因組學之后，蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學等“組學”（omics）的研究與廣泛運用，“大科學”與“小科學”研究的結合與互補，推動了生命健康科技創新的長足進步。與此同時，基因測序、分子影像等新技術和新工具的不斷出現和發展，使人類對生命現象的認識深入至納米尺度，解析能力也大大提升，不僅實現高精度、高效率、高通量，并逐步實現實時、動態和連續，進而衍生出“數據驅動”的研究范式。

隨著技術的不斷突破與進步，生命健康領域的數據已達海量級別。世界范圍內產生的醫療健康數據2013年大約為153EB，2020年已達2314EB；到2030年，世界范圍內每年產生的基因組數據將達25PB。面對這些海量的數據，如何進行高效的收集、管理、注釋、分配、利用等成為特別值得關注并需要解決的問題。大數據、云平臺、人工智能等信息技術的發展，賦能“數據驅動”與“假說驅動”兩種研究范式的結合，從而促進生命科學與生物技術新一輪的發展。

生物技術對信息技術的啟發。從信息技術的發展歷程來看，香農定律、摩爾定律的極限、“內存墻”等問題，正成為其進一步發展的重大挑戰。例如，在數據存儲方面，隨著物聯網、移動互聯網、科學觀測等領域的發展，全球數據正以“井噴式”的速度增長。根據國際數據公司（IDC）的估計，全球每年產生的數據將從2018年的33ZB，增加到2025年的175ZB。同時，現有的基于磁、光、電的存儲方法，已無法滿足未來海量數據的存儲，迫切需要新型、可持續的材料，以突破信息技術進一步發展的瓶頸與限制。另外，如何使計算機能夠以“類腦”的思維能力與反應能力對海量數據進行分析和處理，也是當前面臨的重大難題。

面對這些難題，大自然的“智慧”給予了無窮的啟迪。生命系統具有極高的信息存儲與處理能力、極低的能量消耗，以及高精密的復雜結構，可突破電子計算的性能和物理極限。例如，DNA（脫氧核糖核酸）具有存儲信息密度極高、物理化學特性穩定、保存時間長等優勢；人腦是由數百種不同類型的上千億個神經元構成的極為復雜的生物組織，其密度和多樣性是現代計算機的數十億倍，執行計算任務所消耗的能量比現今通用的計算機功耗低很多。目前，尚未有人工系統可與人腦的精密程度相媲美，若能真正了解人腦的工作機制或原理，并從中獲得啟發，將有助于計算機科學與技術的創新。因此，向生命系統學習和模擬，從仿生、似生、創生、再生等角度尋求新的解決方案，成為信息技術發展新思路、新路徑的重要源泉。

生物技術與信息技術融合發展的趨勢

在人類科技發展的前進道路上，生物技術與信息技術的融合將成為孕育思想、破解難題、應對挑戰、創造未來的重要動力。DNA計算與存儲、數字細胞、器官芯片、類腦計算、腦機接口、“半導體-生物混合系統”等新領域、新方向逐漸進入人們的視野。

生物技術與信息技術融合的國內外布局。發達國家著眼生物技術和信息技術的相互賦能、融合突破，率先開展了前瞻布局，以期占據科技競爭的戰略制高點。美國國家科學基金會早在2008年就開始部署與生物計算相關的研究，并于2009年啟動“超越摩爾定律”項目，重點資助量子計算、DNA計算等非傳統計算模式的研發。2013年，美國半導體研究聯盟啟動“半導體合成生物技術”（SSB）研究項目，并于2018年聯合美國國家標準與技術研究院（NIST）、情報高級研究計劃局（IARPA）等機構發布《半導體合成生物學路線圖》，制定了半導體與合成生物學技術未來20年融合發展的重點方向。歐洲“地平線2020”計劃資助的為期五年的Bio4Comp項目，旨在研制功能強大、安全性更高的生物計算機。日本提出的“推進數據整合和人類生物醫學研究”戰略建議主題，涉及從分子到個體的跨尺度生命科學網絡、4D生物組織重塑等。此外，信息技術相關工具手段的開發及應用，在美國、歐洲的“腦計劃”和精準醫學等重大計劃中隨處可見。

我國近年來也加速了生物技術與信息技術融合研究領域的布局。國家重點研發計劃聚焦未來生命科學、醫藥健康產業和經濟社會發展等重大需求，2020年開始啟動“生物與信息融合（BT與IT融合）”重點專項，通過加強生物技術與信息技術跨界融合研究，兼顧科學創新和技術圖譜，引領新經濟模式發展，旨在催生一批面向生命健康的顛覆性新技術，形成一批新工具、新技術、新標準與新產品。國家發展改革委2022年5月發布的《“十四五”生物經濟發展規劃》明確提出：“推動生物技術和信息技術融合創新，加快發展生物醫藥、生物育種、生物材料、生物能源等產業，做大做強生物經濟。”

生物技術與信息技術融合發展的典型領域。美國的《半導體合成生物學路線圖》規劃設計了基于DNA的大規模信息存儲、基于細胞或細胞啟發的信息系統、智能傳感器系統和細胞-半導體接口、電子-生物系統設計自動化等主要方向。我國的“生物與信息融合（BT與IT融合）”重點專項聚焦DNA存儲、類腦智能與人機交互、生物知識圖譜、可編程細胞智能、智慧醫療等融合技術。從各國的相關規劃與布局可以看出，DNA存儲、生物計算、腦機接口等領域是生物技術與信息技術融合發展的重點。

DNA存儲。DNA作為已知最密集、穩定的數據存儲介質之一，其特殊的結構模式是突破存儲技術瓶頸的關鍵，成為該領域研究最廣泛的生物存儲工具。微軟公司與華盛頓大學研究團隊于2019年3月已聯合開發成功了世界上第一臺DNA全自動存儲設備；谷歌、華為等國內外企業和機構也正在加速相關技術的研發。

生物計算。生物計算包括由DNA、RNA啟發的計算，細胞感受器啟發的類生命體傳感，神經網絡啟發的神經形態計算和類腦芯片等。神經形態計算通過模仿人腦構造來大幅提高計算機的思維能力與反應能力，降低計算能耗；類腦芯片配合類腦計算方法，形成“自主認知”的新范式，突破傳統計算機體結構的局限，在海量數據處理上具有優勢，并且具有低能耗的特點。例如，清華大學開發的“天機芯”，能夠適應基于計算機科學的機器學習算法，也可實現神經形態計算模型和編碼方案；英特爾公司推出的類腦芯片“Loihi2”，每個芯片有100萬個神經元，能效得到顯著提高。

腦機接口。腦機接口可通過小型電子設備收集腦信號，并對其進行信息處理、特征提取、模式識別等，從而獲知人的意圖、認知或心理狀態，以及神經系統疾病狀態等信息，幫助有運動、語言等功能障礙的患者進行康復，提高生活質量，也能通過人腦與電腦的雙向通信，提升人類的思維能力、記憶能力、決策能力等。2021年7月，美國國防部下屬的高級研究計劃局（DARPA）參與研發的腦機接口芯片啟動植入人體的臨床試驗，以驗證腦機接口芯片在嚴重癱瘓患者中的安全性和有效性；Synchron公司開發的腦機接口裝置也于2022年5月開始人體臨床試驗，患者有望利用該試驗裝置，通過意識對電子設備進行無線控制，以獲得不依賴他人而獨立執行一些日常任務的能力。

生物技術與信息技術融合發展帶來的新應用和新影響

生物技術與信息技術的融合發展，將促進社會向數字化、智能化、系統化的方向進一步邁進，引發新一輪的科技革命和產業變革，重塑人類的經濟生產模式和生活方式。

驅動科學技術和組織管理模式變革。生物技術與信息技術的融合，極大拓展了科學研究的廣度和深度。一方面，技術融合不僅能完成傳統生物技術難以勝任的任務，提升生物技術的能力，孕育顛覆性技術創新。另一方面，技術融合還將催生一系列新方向和新業態。例如，生命信息的感知、存儲和計算，將催生生物傳感器和生物納米物聯網（IoBNT）技術、生物啟發的信息通訊技術（BICT）、生物計算機技術等；以高性能計算為代表的人工智能技術，將驅動集生物設計和生物模擬、自動化實驗研究于一體的計算機輔助生物學（CAB）的發展。這種跨越多種學科的融合，顛覆了當前科學研究的范式，有可能全面提升科學的“發現能力”、工程的“建造能力”、技術的“發明能力”，以及社會的“創新能力”，以應對來自多領域、多層面的科技和社會挑戰，真正實現“如果認知科學家能夠想到它，納米科學家就能夠制造它，生物科學家就能夠使用它，信息科學家就能夠監視和控制它”。

同時，這種跨越多種學科的融合，也催生了新型研究組織、科研資助模式，以及新的科學數據開放和共享形式、新的產學研合作機制、新的人才培養方式，尤其需要形成支持科學研究及促成研究成果向新產品轉化的協作網絡，這個“網絡”不僅需要政府部門、學術界與產業界的協同，還需要構建與融合發展相適應的生態系統，形成一種有助于融合的文化。

驅動戰略性新興產業的發展。生物技術與信息技術的融合，在促進各自發展的同時，正深刻地改變醫療健康、制造、農業和服務等領域的業態，驅動產業的新突破。

數字健康。生物技術與云計算、數據分析等先進信息技術融合，使人類對疾病與生命的本質有了全新的認識，疾病防治正向精準醫療和數字健康轉型和提升。利用生物與信息的技術融合，可將基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組、表型組等各類組學產生的生物醫學數據，與臨床類數據、飲食和運動類數據，以及社會及物理環境信息等連接起來，建立起開放共享的數據網絡，綜合考量“生物-社會-心理-環境”等復合因素，通過更精細、更準確的疾病分類，提供更精確的診斷和治療，實現個性化的“一人一方案、一病一路徑”。

近年來，人們的就醫需求、習慣、診療流程都發生了很大變化，數字技術賦能的醫療健康與傳統線下醫療之間的邊界日益模糊，在線預約、診斷、康復支持等互聯網醫療，正在加速傳統醫療服務、管理模式的數字化變革。數字健康正成為人工智能等新興技術的典型應用場景之一。數字健康是能獲取、存儲或傳輸健康及醫療數據，可幫助消費者改善生活方式和健康狀況的相關技術、平臺或系統，涉及數字監測、數字診斷、電子處方、智能設備、遠程醫療等載體，涵蓋數字醫療、醫藥、健保、醫檢、醫養康養、醫療健康云服務等業態。目前，全球有超過5000家企業，從事數字健康方面的技術研發及應用；截至2021年底，美國有至少40款數字療法產品獲美國食品藥品監督管理局（FDA）認證許可，我國也有近20款數字療法產品獲得醫療器械注冊證。全球數字健康領域融資總額達590億美元，同比增長81.5%；我國數字健康領域融資額也達到184.1億人民幣。數字健康產業有望成為拉動內需的新動力。

先進生物制造。生物制造是利用生物體的機能進行物質加工與合成的綠色生產方式，可降低工業過程能耗、物耗，減少廢物排放與空氣、水及土壤污染，大幅降低生產成本，提升產業競爭力。新興信息技術的引入，促進了先進生物制造技術的研發，從而使基因合成、酶的理性設計、細胞制造等方面的能力有了質的突破，有助于實現化工原料和過程的生物技術替代，發展高性能生物環保材料和生物制劑，向綠色低碳、無毒低毒、可持續發展模式轉型。預計未來十年內，35%的石油化工、煤化工產品可被生物制造產品替代，從而為能源、材料、化工等領域的生產帶來極大變革。牛奶、食糖、油脂等食品，一旦實現工業生物制造，將產生顛覆性影響，其全球經濟規模也十分可觀。

精準農業。生物和信息技術的融合，還能推動以數字農業、智慧農業和精準農業等為特色的農業新體系的建構，提供名、特、優、新的產品，以及生產、生活、生態、生息“四生共融”的功能，從而使農產品的消費模式由追求溫飽型轉變為追求安全、營養的健康型。隨著物聯網、大數據、云計算、衛星遙感、人工智能等新一代信息技術與農業的融合，信息化成為實現農業現代化的重要支撐力量。通過農業全要素、全系統、全過程的數字化，實現農業科學決策和數字化管理；通過智能技術的運用，提高對農業系統綜合管控的能力；強調基于農業動植物和空間環境等信息的變化而進行精細管理的精準農業，也將因數字化的助力而邁上新臺階。

改變人們的健康理念和生活方式。《“健康中國2030”規劃綱要》指出：“全民健康是建設健康中國的根本目的。立足全人群和全生命周期兩個著力點，提供公平可及、系統連續的健康服務，實現更高水平的全民健康。”其中，“全民健康”意味著關注的重點除患者外，正常人的健康維護同樣重要。為了實現這一戰略轉變，需要改變把維護健康的主要任務交給醫院，由醫生負責診斷和治療疾病的傳統的“被動健康”模式；需要統籌社會、行業和個人三個層面，形成維護和促進健康的強大合力，建立“主動健康”的全新模式，最終從源頭上預防和控制重大疾病，實現從以治病為中心轉向以健康為中心。

“主動健康”是人類健康領域開創性的變革，變革的核心是把維護健康的“主戰場”從醫院內轉移到醫院外，把維護健康的主要任務從“治已病”轉換為“治未病”。為此，首先要實現理念上的轉變，將人們關注的重心從“治病”轉換為“健康”，把人們維護自身健康的重任從交給醫務人員負責轉換為自己作為“第一責任人”。其次要提供行動上的支持，為個體健康狀態的早期監測和早期干預提供科學技術的支撐和保障，大力促進物聯網、人工智能、大數據等數字技術在健康管理方面的應用，開發數據采集、分析和預測技術，以及基于各種算法和計算模型等的可穿戴設備，為健康狀態的監測、預測和預警提供重要支撐。另外，基因檢測和細胞治療等技術為疾病的早期發現、精準診斷、精準預防提供了重要手段；“互聯網+醫養結合+健康管理”的體系建設和應用，遠程監控、診療等服務不斷滿足人民群眾的健康需求，進一步為“主動健康”創造了條件。

尤其值得關注的是，無論是數字健康還是“主動健康”模式，在帶給醫療健康領域更多契機，在為人們跟蹤、管理和改善自己及家人的健康提供更多便利的同時，也對倫理、安全的監管提出了新挑戰，例如，數據安全和數據隱私等方面可能存在監管政策的不足或漏洞，需要密切關注這些新問題、新變化，通過完善相關的法律法規體系，制定評估標準和指南，建立“主動健康”時代的創新生態和治理體系，以實現全面提升全民健康水平的目標。

（作者為中國科學院上海營養與健康研究所研究員；中國科學院上海營養與健康研究所陳大明研究員及其團隊對本文亦有重要貢獻）

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責編/馬寧遠 美編/李祥峰

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