生命科学的终极魅力，北大名师为你揭秘

那么，生物学究竟是一门怎样的学科？它为什么既让一些人望而却步，又始终处在人类探索未知的最前沿？

其实，生物学是一门“见微知著”的学科，它让我们在观察蒲公英随风飘散时，理解生命的传播策略；在探究免疫系统的工作机制时，懂得健康的珍贵；在了解核酸修饰的调控作用时，窥见疾病治疗的希望……

对于孩子而言，生物学不仅是应试科目中的重要组成部分，更是认识世界的一种方式，即以敬畏之心对待自然，以理性之光探索未知，以创新之力书写未来。

《北大名师开讲：生命科学探秘之旅》汇集生命科学领域多位教师和专家的文章，从自然万物一直讲到科技前沿。小北从中挑选了几个有意思的案例，一起来看看生命科学的“终极魅力”。

同一片未名湖，在游客眼中是湖光塔影，在生物学家眼中，却是一连串等待回答的问题。

截至2024年年底，占地仅一平方千米多一点的燕园，已经记录到687种高等植物、314种脊椎动物和530种无脊椎动物。其中，鸟类多达254种，约占中国鸟类物种总数的六分之一。校园恰好位于东亚鸟类迁徙的重要通道，林地、灌丛、草坪和水体又彼此交错，于是，这片被城市道路环绕的绿地，成了许多生命停留、觅食和繁衍的家园。

即便是未名湖上最熟悉的鸳鸯，也不只是传统文化中的爱情象征。雄鸟华丽、雌鸟低调的羽色差异，背后是漫长演化中的性选择；而交配之后，孵卵和育幼的重任主要由雌鸟承担，又与人们想象中的“成双成对”颇为不同。

在许多文艺和影视作品中，外星人的形象常常以章鱼为原型。从智能演化的角度看，章鱼也确实是地球上最像“外星智慧”的生物之一。

章鱼和人类的演化道路，早在大约6亿年前就已经分开。当时双方共同的祖先还是类似蠕虫的简单生物，甚至没有形成真正意义上的脑。此后，复杂神经系统沿着两条不同的道路独立演化：一条通向人脑，另一条则通向章鱼的脑。

乌贼的皮肤则像一块覆盖全身的高分辨率显示屏。每个色素细胞都是一个“像素点”，周围连接着大约20条肌肉纤维。乌贼可以像控制手指一样，迅速控制这些色素细胞的大小，在一秒钟内改变颜色和图案，模拟沙滩、鹅卵石，甚至黑白棋盘格。

更有意思的是，这种伪装并非调用一套预先设定好的图案。研究发现，乌贼会先尝试一次变化，再回头观察自己的身体，比较身体图案与环境是否相似，然后继续调整。给它戴上不透明的“伊丽莎白项圈”，遮住它回看身体的视线后，它便无法根据环境正确变色。整个过程像是一场持续的试错和迭代优化，也像人工智能训练中使用的搜索算法。

章鱼的触手则展示了另一种智能结构。它超过60%的神经细胞分布在触手上；即使失去中枢控制，触手自身的神经网络仍能完成复杂、协调的运动。大量分布式的控制节点，让触手同时拥有稳定性和灵活性，也为软体机器人和人工智能提供了不同于模仿人脑的新思路。

研究章鱼和乌贼，实际上是在追问：除了人类的大脑，智能还可以以什么方式存在？

生命科学不仅要观察丰富多样的生命形态，还要不断突破“看见”的边界。

普通光学显微镜能够帮助人们观察细小物体，但它的分辨率存在约200纳米的极限。人类头发丝的直径大约是100微米，200纳米大致相当于把一根头发丝的横截面平均分成500份后，其中一份的宽度。可细胞器和蛋白质等结构往往比这更小，普通显微镜很难把它们看清。

电子显微镜具有更高的分辨率，但制样过程会对生物样本造成伤害，难以用于活体动态观察。于是，科学家开始寻找既能看得更细、又能观察生命活动的方法，超分辨荧光显微成像技术由此诞生。

李美琪老师在书中把几类技术讲成了形象的生活场景。受激发射损耗显微镜像使用激光“橡皮擦”：先让一片区域发光，再擦掉周围多余的荧光，只留下更小的中心区域；单分子定位显微镜则像让分子玩“捉迷藏”，不让靠得太近的荧光分子同时亮起，而是分批记录它们的位置，最后把所有信息叠加成一幅高分辨图像；结构光照明显微镜利用条纹光照射样品，速度更快，更适合观察活细胞。

这些方法各有所长，也各有局限：有的分辨率高，却可能造成光损伤；有的能够达到数十纳米的分辨率，却需要较长的成像时间；有的可以快速观察活细胞，但精细程度相对有限。

科学家并未就此停步。新一代技术已经把定位精度推进到数纳米乃至接近1纳米的量级。借助这些“超级放大镜”，人们能够观察细胞内部的精细结构，追踪蛋白质的分布和运动，研究疾病发生机制。

所谓“眼见为实”，并不是说肉眼所见就是世界的全部。科学不断发明新的“眼睛”，让原本不可见的生命活动逐渐显现出来。

“人类可以冬眠吗？”这个看似来自科幻小说的问题，曾被列入面向未来的重大科学问题。

冬眠并不是简单地睡上一个冬天。哺乳动物通常以“冬眠阵”的形式，反复进入蛰伏状态，中间还会出现短暂的阵间觉醒。在蛰伏状态中，一些小型哺乳动物的体温可以从约36℃下降到约4℃，代谢水平降至活跃状态的5%左右；心率可以从每分钟上百次减少到几次，呼吸也可能变成几分钟一次。

它们并不是被动地“冻僵”，而是在分子、细胞和整个机体层面主动调节生命活动，以应对食物、水和热量不足的环境。董骥、李昌辉老师在书中进一步追问：如果人类能够进入类似的低代谢状态，会发生什么？

一次火星任务往返至少需要520天，长期太空旅行意味着巨大的物资需求，也会给宇航员带来微重力、辐射和昼夜节律紊乱等挑战。人工冬眠如果能够实现，可能降低能量和氧气消耗，为太空探索提供新的思路。2023年，有研究者通过向小鼠大脑发射特定的超声波脉冲，让小鼠进入了可逆的人工低代谢状态。不过，从动物实验走向人类应用，仍有很长的距离。

冬眠研究的意义也不限于太空旅行。低代谢状态可能为脑卒中患者争取救治时间，帮助器官在移植前得到更长时间的保存，还可能启发神经退行性疾病、缺氧损伤、辐射防护和癌症治疗研究。

但科学家仍需回答许多问题：冬眠动物为什么能够耐受接近冰点的体温？它们如何转换能量来源？为什么不会感到饥渴？冬眠之后，记忆是否会受到影响？

科幻提出想象，科学则负责一步步验证。真正迷人的，不是宣布“人类很快就能冬眠”，而是从动物身上寻找线索，分辨哪些设想可能实现，又有哪些难题仍然横亘在前方。

如果说显微镜让人类看见生命，基因编辑则意味着人类开始尝试修改生命的信息。

DNA由A、G、C、T四种碱基组成。不同的排列组合，构成了生命的共性与个性：小猫之所以是小猫，大树之所以是大树，你之所以是你、我之所以是我，都与这些“生命字符”的排列有关。

魏文胜、牛煦然老师借助Word文档解释基因编辑：修改一句话，需要先把光标定位到正确位置，再执行插入、删除或替换，最后让句子恢复完整。基因编辑也有类似的逻辑——找到目标位置，切开DNA，再利用细胞自身的修复机制完成改变。

早期的ZFN和TALEN技术，都在尝试解决“定位＋切割”的问题。后来出现的CRISPR/Cas系统，则来自细菌和古菌抵御病毒入侵的免疫机制。它们会把入侵病毒的一小段DNA保留下来，形成“记忆”；当病毒再次来袭，向导RNA负责寻找目标，Cas核酸酶则像一把“分子剪刀”完成切割。

2012年，科学家在体外实现了利用向导RNA定位、使用Cas9蛋白精确切割DNA；2013年，CRISPR系统进一步在人类细胞中实现基因编辑。因为定位相对精准、设计更加方便，它很快成为生命科学的重要工具。

今天，基因编辑已经被用于探索遗传病和癌症治疗，也在动植物育种、器官移植和基因功能研究中展现出潜力。但正如书中所问：技术上已经可以“改”，如何才能恰如其分地“改”？

CRISPR也未必是基因编辑的终点。ZFN从最初发现到成为技术走了12年，TALEN走了21年，CRISPR走了25年。自然界中也许还存在更加精巧的系统，只是人类尚未发现，或者还没有想到如何使用。

随着本书的文字，你将在名师们的引导下，读者一会儿漫步于北大校园，感受燕园丰富的生物多样性，一会儿又探秘三娘湾的中华白海豚，了解海洋生态的脆弱与坚韧；刚刚惊叹完章鱼与乌贼变色背后的智慧与机理，马上又开始追寻老虎毛色多样性变化的遗传密码。

从宏观的校园生态到微观的细胞分子机制，从古老的物种演化到前沿的基因编辑，这本书安排的每一个话题都藏着生命过程中精巧的奥秘，每一段文字都传递着科学探索的乐趣。

生命科学的终极魅力，也许不在于它能够给出多少确定答案，而在于每一个答案都会打开新的未知。