苏珊·霍克菲尔德，美国知名神经学教授，学术地位崇高，不仅是美国艺术与科学院院士，也曾在美国两所顶尖大学担任要职，包括耶鲁大学副校长及麻省理工学院首位女校长。她在科学界享有盛誉，是美国科学促进会和美国神经生物学学会的会员，并曾参与《神经科学杂志》等专业杂志的编纂工作。此外，高天羽以“红猪”为笔名，是一位资深的科技翻译家，已译有二十余本作品，其中包括《遥远地球之歌》、《鱼为什么放屁》等科普读物。

饶毅、施一公、吴国盛 推荐！ 麻省理工学院（MIT）校长深度讲解 一场正在颠覆和改变我们未来生活的科技革命 “它将使计算机革命相形见绌！” 【编辑推荐】 ★全面解读世界前沿生物实验室里合成生物技术。本书将带领读者深入了解五大前沿技术以及这些技术将如何为我们应对迫在眉睫的医药、粮食、能源、淡水等危机提供了新的解决方案。 本书由浅入深，图文结合，用故事与科学原理相结合的方式，讲解这些令人期待的科学奇迹。 ★作者苏珊·霍克菲尔德教授是世界著名的神经科学家，麻省理工学院首位女性校长，美国艺术与科学院院士。她掌握了许多尚处于实验室阶段的最新研究，并对这些新技术做出了关键性的整合，为我们这样一个支离破碎的时代，提供了一次令人震撼的阅读体验。 ★投资的下一个风口，每一个投资人都不可错过的前沿科技课。这是一场将颠覆和改变我们未来生活的科技革命。上个世纪，物理学与工程学的融合带来了数字革命。这个世纪，生物与工程的结合将创造下一个奇迹。科技即商机，比尔·盖茨曾说，下一个超越他的亿万富豪必定出现在生物科技领域。 ★本书被AIP授予“2020科学传播奖”，还入选美国最古老的学术荣誉学会“2020年图书奖”短名单。 【内容简介】 世界著名的神经科学家，麻省理工大学前校长苏珊·霍克菲尔德（Susan Hockfield）教授提出，我们正处于一个新的融合时代——生物学与工程技术的融合。正如数字革命在20世纪对人类社会所产生的颠覆性影响，生物与工程的结合将是下一个创造奇迹的领域。 有如尼古拉·斯尼洛庞帝的《数字化生存》帮助读者理解了当时正处于黎明时期的数字化革命一般，霍克菲尔德教授生动介绍了前沿生物学领域令人期待的科技突破——制造电池的病毒，过滤污水的蛋白，筛查癌症的纳米颗粒，神经控制的仿生四肢以及通过提高粮食产量的表型技术等等，这些将要引领下一轮科技革命的前沿技术将解决我们日益迫在眉睫的环境、能源以及医疗危机。

麻省理工学院（MIT）在科技与学术领域素以工程和物理研究见长，然而随着分子生物学的崛起，学校开始注重跨学科交融，尤其是生物学与工程学的结合。这一转变的背后，是作者——首位女性且出身生物学家的MIT第十六任校长，她的当选打破了传统上的性别与专业壁垒。她对跨领域研究的热情以及在耶鲁大学的丰富经历，使她在众多候选人中脱颖而出，被MIT看作推动两学科融合的理想人选。

作者自小就对事物的工作原理充满好奇，从拆解物体开始，逐步踏入分子生物学和基因组学的科学前沿。她的成长历程与对科学革命的投身，为她领导MIT迎接新挑战奠定了坚实的基础。在20世纪30年代，物理学家与工程师的合作催生了电子工业，对社会经济产生了深远影响。康普顿担任校长期间，MIT致力于提升理科质量，并推动物理学与工程学的融合。二战期间，这种融合因技术需求而加速，康普顿在雷达、喷气推进和数字计算机的研发中起到了关键作用。

战后，随着生物学与工程学结合的趋势日益明显，预示着新科技革命的到来。康普顿预见了生物医学的巨大潜力，他的远见为后来的基因疗法和微生物合成化学产品等领域奠定了基础。如今，MIT的研究涵盖了从单分子、细胞到纳米颗粒在流体中的质量测量技术，这些前沿科学不仅展示了科技的飞速发展，也为医学、环保和工业生产带来了创新性的解决方案。

微生物合成化学产品的理性设计是其中的一个亮点，涉及新型生物合成途径和汽油范围内的烷烃生产。此外，plasmid DNA的设计、生产和纯化为基因疗法和工业生产提供了有效的方法。单分子测量技术则揭示了微观世界中的质量分布，对于理解生命过程和开发新药物具有重要意义。

这些研究的进展不仅推动了科学技术的进步，也为人类社会带来了实际的利益。医学领域受益于基因疗法的发展，环保工作得益于微生物合成化学产品的绿色替代方案，而工业生产则从高效、可持续的方法中获得了经济上的优势。MIT的研究成果证明了跨学科合作的力量，生物学与工程学的交融正在创造一个更加智能和可持续的世界。

作者作为这个变革时代的领导者，她的远见和决心为MIT乃至全球科学界树立了榜样。她坚信，通过不断探索和融合不同领域的知识，人类将能够解决更复杂的问题，实现更大的进步。在她的引领下，MIT将继续走在科技与学术的前沿，为未来的创新和发展铺平道路。

第一章 未来从何而来？

安杰拉·贝尔彻是一位多领域科学家，她的研究工作集中在利用生物学原理创造新型电池，以替代化石燃料。早年因提议改造病毒制造电子电路而被评价为“疯狂”，但她的坚持最终获得成功，并在学术界赢得显著地位。贝尔彻的研究灵感来源于自然界，如鲍鱼壳的自组装过程，她设想用病毒收集和排列半导体元素，构建高效环保电池。

化石燃料燃烧对环境造成严重破坏，包括空气污染和有毒物质释放，对人类健康构成威胁。随着人口增长和生活水平提升，能源需求预计将持续增加，环境问题将更加严峻。贝尔彻的梦想是利用可再生能源解决这个问题，但现有技术在存储方面存在挑战，特别是太阳能和风能的不稳定性。病毒研究领域的突破为贝尔彻的研究提供了可能，她探索使用病毒组装非生物材料，制造出高效电池，以应对替代能源的存储难题。

电池的历史反映了人类对自然的好奇与探索，从伏打电池到现代充电电池，技术不断进步但仍有局限，如重量、安全性和环境影响。贝尔彻致力于开发更清洁、轻便和高效的电池，以满足日益增长的能量存储需求。她的创新工作利用M13噬菌体的特性，改造其作为电池组件，通过调整蛋白质结构，实现金属材料的紧凑组装和高效电子流动。

与传统高能耗、高污染的电池生产方式不同，贝尔彻的方法在室温下进行，不使用有害溶剂，对环境影响较小。她的研究不仅限于电池本身，还探索了病毒电池在日常生活中的潜在应用，为商业化开辟新途径。她坚信未来的能源将发生重大变革，并致力于利用生物学智慧推动这一转型。

文中提到世界银行的数据显示发展中国家如印度、巴基斯坦的人均电力消费水平较低，强调电能消耗与国家发展的紧密关系。同时回顾了电池技术的历史，从伏打电堆到现代锂离子电池的发展，包括铅酸电池和锂氧电池的研究进展。讨论了锂电池生产过程中的能源效率和环境影响，并通过特斯拉电动车展示了先进储能材料的应用。

此外，文章还涉及病毒在纳米技术和新能源电池制造中的应用，如噬菌体自组装构建的纳米结构，以及利用基因工程病毒制造高功率锂离子电池的方法。同时分析了汽车锂电池在其生命周期内的能源消耗和温室气体排放，揭示了生产、使用及废弃阶段的材料和能量流动情况。

总之，安杰拉·贝尔彻的科研工作致力于通过生物学创新解决环境与能源问题，她的研究不仅限于新型电池技术，还涉及纳米技术和病毒应用等领域，对未来的可持续发展具有重要启示意义。

第二章 生物学能做出更好的电池吗？

彼得·阿格雷在研究Rh溶血病蛋白时偶然发现了一种未知蛋白，它实际上是一种水通道蛋白。起初对其功能不解，但与约翰·帕克讨论后，阿格雷推测这可能是细胞调节水分的关键。实验验证了这一假设，他发现这种蛋白能在特定条件下于细胞膜上形成通道，允许水分进出。这个发现对生物学意义重大，并启发工程师和企业家探索利用水通道进行大规模净水的新方法。

阿格雷深入研究水通道蛋白，确定了其氨基酸序列和结构，它能形成贯穿细胞膜的通道，只允许水分子双向流动。蛋白质的独特排列使其高度选择性地输送水分子。科学家们设想借此开发高效净水技术应对未来水资源压力。尽管生产稳定性和大规模应用面临挑战，但借鉴生物制药的经验和技术，这些问题逐渐得到解决，为基于水通道蛋白的净水器奠定了基础。

水通道蛋白A/ S团队采用生物制药技术设计生产流程，并解决将蛋白嵌入细胞膜的问题。他们通过让蛋白与脂质球体混合，制成泡囊片用于制造净水器。尽管泡囊结构会让水分子经过两条通道，但实验显示不会显著降低净化效率。团队还考虑了膜片强度问题，采用多孔材料作为支撑，并计划推广特定用水和开发基于正渗透系统的农业节水技术。

历史上，人类不断寻找清洁饮水的方法，如Aristotle 提到的自然蒸发与冷凝过程。现代技术如反渗透和蒸馏广泛应用，但能耗高。随着节能解决方案需求增加，研究者关注纳米技术在水处理中的应用，如碳纳米管膜脱盐。Aquaporin 水通道蛋白的发现及其在生物体内水分调节作用也受到重视，未来可持续脱盐技术面临挑战和机遇。

章节详细探讨了水通道蛋白(AQP)的结构与功能，如AQP1选择性运输水分子的机制，以及AQP家族如何通过调整构象控制通透性。研究还涉及AQP的水通透性和氢离子排斥机制，以及AQP-1排除质子的过程和水分子渗透详细过程。

此外，章节还讨论了其他通道蛋白如甘油转运通道，以及竹类植物中耐旱和盐碱的水通道基因PeTIP4; 1-1。章节回顾了AQP生物学领域进展，强调人口城市化与水资源管理挑战，以及仿生AQP膜在海水淡化中的应用潜力。

内容涵盖生物技术领域的科学进步，如胰岛素基因化学合成在大肠杆菌中表达的研究，对水通道蛋白AqpZ的分子克隆和特性研究，分子伴侣的作用，红细胞寿命研究，皮肤细胞更新速率分析，以及转录因子影响肠内分泌细胞分化的研究。此外，章节还展示了生物分子在材料科学和环境工程领域的应用，如纳米过滤膜和仿生反渗透膜中aquaporin的应用，为海水淡化提供潜在解决方案。

综上所述，这些科研成果不仅推动了基础科学研究的边界，也为实际问题如水资源管理和海水淡化提供了创新思路。

第三章 水，到处是水

自1971年美国宣布对癌症宣战以来，在资金投入和科研产出上取得了显著进步。尽管在某些类型的癌症诊断和治疗方面实现了突破，但每年数百万人的死亡 toll 意味着彻底战胜癌症仍遥不可及。研究揭示癌基因能将正常细胞转化为恶性肿瘤细胞，为潜在疗法提供了线索，例如格列卫针对CML（慢性粒细胞性白血病）的特定癌基因显示出显著疗效。然而，癌细胞持续突变和对药物的耐药性仍然是许多癌症无法治愈的关键障碍。

抗癌策略聚焦于预防、早期诊断与有效治疗，但现有成像技术和血液检测手段在精确度、灵敏度及成本效益上存在局限，往往导致癌症在晚期阶段才被发现。科学家桑吉塔·巴蒂亚通过纳米颗粒技术开发出一种创新的尿液检测方法，旨在能在极小癌细胞团块阶段就能进行识别，从而为更早诊断和治疗癌症带来希望。

巴蒂亚及其团队研究了如何利用纳米颗粒精确地将成像剂和药物送达到体内特定组织，以辅助疾病诊断与治疗。他们面临的挑战包括确保纳米颗粒在磁共振成像（MRI）下可见，同时避免因聚集导致血管堵塞。通过一系列实验，他们设计出一种可自我组装的纳米结构，在到达目标组织后，在特定酶的作用下形成团块，实现可视化和药物释放。这项创新技术不仅有助于器官疾病的诊断与治疗，还意外地为癌症早期检测提供了可能。

巴蒂亚的一项突破性发现是她偶然发现的一种可能用于早期癌症诊断的生物学机制。这种非侵入性的尿液测试具有极高的灵敏度，能探测到小于5毫米的肿瘤，远早于传统方法。这些进展展示了纳米科技在解决复杂医学问题上的潜力，并为未来的药物开发和诊疗策略开辟了新途径。

针对癌症检测与治疗的创新技术层出不穷，如运用数学模型优化早期血检策略、结合纸基微流控设备的现场诊断工具，利用纳米粒子系统性传递抗癌药物和siRNA（小分子干扰RNA）的联合疗法，以及设计能穿透组织并触发药物释放的光开关纳米颗粒。这些技术展示了纳米科技与生物标记物在癌症诊疗领域应用的巨大潜力。

总之，尽管在对抗癌症的道路上仍面临诸多挑战，但科学家们通过不断探索和创新，如利用纳米颗粒技术进行早期诊断，以及开发多种针对癌症治疗的新策略，为未来的医疗实践带来了希望。随着这些技术的持续发展和完善，我们有理由相信，未来将有可能更早、更准确地发现并有效治疗各种类型的癌症。

第四章 抗击癌症的纳米颗粒

吉姆·尤因在开曼群岛度假时遭遇意外，腿部严重受伤。面对截肢与使用假肢的抉择，身为工程师的他寻求医学方案无果后，联系到麻省理工学院媒体实验室的休·赫尔教授。赫尔教授在智能假肢设计领域有重大突破，通过先进的传感技术和对行走生理过程的研究，开发出EmPower脚踝，能模拟人类脚踝行为，显著改善截肢者的生活质量。然而，更高层次的功能恢复，如精细的动作控制，仍是赫尔和他的团队在生物机械电子学实验室中探索的问题。

为了使这些技术走向市场，作者访问了假肢制造公司奥索，了解他们如何将创新产品转化为耐用、高效的成品，并满足用户的各种需求。奥索公司的步态实验室配备了多种设备，帮助人们行走、跳跃或骑车，且大多数用户都装有假肢。德罗伊展示了公司最新产品“Pro-Flex”——一款依赖机械性能的假脚踝，它比以往的假肢更轻巧、便宜和坚固，能更好地模仿自然脚踝的动作。奥索公司的目标是通过生物相容的无线电极感应并响应截肢者肌肉的运动，开发出能由意念驱动的假肢。他们正在测试的新一代假肢原型机已经能让用户仅凭思维控制脚踝和脚掌的活动，标志着智能假肢技术的重大进展。

多诺霍和同事们在脑机接口技术（iBCI）领域的突破性研究同样引人注目。他们首次展示了iBCI的潜力，帮助一名因脊髓受伤而瘫痪的男子通过意念玩电脑游戏。后续的研究中，他们成功地让一位中风患者仅凭大脑中的想象就能控制机械手臂的动作。这项技术进一步发展，使得一名自行车事故后长期瘫痪的男子能够用自己的手拿起杯子喝水。这些成就展示了iBCI在恢复运动能力方面的巨大潜力。

多诺霍团队还在不断优化设备，研发更小型、无线的传感器，以记录更多神经信号并精确解读人的意图。他们对未来充满希望，认为这样的技术将有助于治疗各种神经和精神障碍，让患者恢复正常生活。同时，与肌肉系统相关的内容也被提及，如agonists（ agonist）、antagonists（ antagonist）和synergists（ synergist）的作用描述，以及在仿生手假体控制中同时管理多项功能的性能和鲁棒性研究。

此外，还介绍了一种利用神经控制的下肢假体进行本体感觉的研究，使得患者能够更好地感知假肢的状态，从而提高假体使用时的自然性和控制精度。这些研究为开发更为先进、与用户身体更紧密集成的假肢系统提供了重要进展。

在智能假肢和脑机接口技术的发展中，伦理和社会影响的问题也随之浮现，这包括截瘫者重新获得生活自理能力的希望，以及由此引发的关于个人隐私、依赖性增加和技术不平等的讨论。尽管如此，这些领域的进步无疑为改善残疾人士的生活质量和实现更广泛的社会包容提供了新的可能。

第五章 给大脑扩容

植物科学研究正在以前所未有的速度推进，特别是在丹福斯植物科学中心的贝尔威勒基金会表型设施。这里，科学家们利用精密监测和数据分析技术来探索植物基因与环境如何相互作用，这一研究领域被称为表型组学。通过结合生物学和工程学，他们收集大量关于植物生长的数据，绘制出反映植物性状发展的数字地图，这有助于提高作物产量，应对全球粮食需求的增加。

历史上，人类已经采取各种方法来提升粮食产量，但现代遗传学与大数据的应用将这一过程推向新的高度。基因工程技术在农业中的应用显著，如改良玉米、棉花和大豆以增强抗虫性和耐除草剂性，这不仅减少了农药使用，还提高了作物产量。分子生物学的进步也帮助科学家发现影响植物性状的关键基因，例如提高作物对病害的抵抗力或提升营养价值，比如黄金大米的例子。

尽管转基因技术存在争议，但科学研究显示其安全性，并强调适当的监管对于确保这些技术带来的益处至关重要。农业发展还包括利用高通量表型分析技术筛选和培育具有理想性状的新作物品种，这有助于应对复杂性状的挑战，并加速农作物改良过程。

丹福斯中心运用先进的成像技术如荧光相机和红外线相机收集植物数据，开发了PlantCV软件进行数据分析。在生长室内，机械臂“格蕾丝”拍摄植物多角度图像，帮助科学家分析植物特征。田间测试设施TERRA-REF则监测大范围内的植物生长表现，利用机器学习等方法寻找高产抗病的品种。

木薯作为重要热量来源，但由于其块根含有的微量元素极少，导致依赖木薯为主食国家的妇女和儿童普遍面临贫血问题。国际团队已经研发出锌和铁含量增加的新木薯品种，有望改善这一状况。未来的目标是培育营养价值更高、抗病性更强的木薯。

转基因作物对农业生产和食品安全的贡献显著，如转基植物抵抗虫害，提高产量，同时减少对土地的压力，促进可持续发展。例如，通过遗传改造的玉米等作物有助于全球粮食供应。然而，关于转基因作物的长期影响和潜在风险仍需进一步研究和讨论。

黄金大米是争议中的转基因作物，但科学、监管和公众信息处理过程显示其在改善亚洲地区维生素A缺乏症方面的潜力，并已得到一些国家的批准销售。此外，基因工程还应用于应对环境压力（如干旱、盐碱地和极端温度）的植物，以及田间高通量表型分析技术在植物遗传学研究中的应用。

植物科学对人类生活的重要性不言而喻。通过研究作物与草类的关系，科学家能追溯农业的起源和发展，甚至发现早期农民可能居住的地区。基因工程的进步使得培育抗旱农作物成为可能，这对于全球粮食安全至关重要。现代技术如计算机视觉和人工智能也应用于植物表型分析，加速作物品种改良和病害监测，推动创建更可持续的农业系统。

国际农业发展基金和联合国粮农组织联合发布的《世界木薯经济报告》以及丹佛植物科学中心的“VIRCA Plus”项目，专注于研发抗病毒、营养增强的木薯品种，以改善非洲地区的粮食安全和营养状况。高通量田间表型分析技术用于作物根系图像识别和评估，推动木薯品种改良工作。

随着世界城市化趋势的发展，这些努力旨在应对环境挑战，提升全球人口的生活质量。植物科学研究不仅关乎食物供应，更关乎人类社会的可持续发展和健康未来。

第六章 喂饱全世界

物理学领域的重大发现开启技术革新潮流。电子的发现引领电子时代，驱动通信、影视等行业飞跃；亚原子粒子研究催生核物理学，带动核能与医学成像应用。尽管初期难以预知实际用途，基础研究对新技术和社会进步举足轻重。政府投资基础研究，即便回报不确定且周期长，也能激发工业和经济增长。

生物技术与工程学融合（2.0）有望再次重塑世界，如病毒生产电池、纳米颗粒治疗癌症等。实现潜力需资金保障、跨学科合作及开放移民政策。美国曾依赖战争时期科研投入推动科技发展，现须改革教育、研究和金融体系，消除多领域交叉障碍，加速创新应用。

联邦研发投资在物理科学与工程学中至关重要，但自1970年来大幅减少，而生物医药领域的支出虽增长后下降。中国、韩国、以色列等国研发投入增加，竞争加剧。尽管联邦研发投资经济回报显著，如NIH对医疗效益的贡献，削减投资令人费解。

融合2.0需转变“单投资人”、“单学科”模式为跨领域、跨机构合作。美国政府已尝试更新资助模式，但尚未普及，大学科系划分阻碍了学科间协作。教育体系需调整，鼓励创新与新产业建立，研究生项目支持学生转向企业或创业。

斯坦福和MIT通过科研发现转化为市场产品，推动经济发展和社会进步。硬科技开发需长期投资，投资者兴趣往往偏于快速回报的领域。水通道蛋白A/ S公司故事揭示技术商业化挑战及长远投资的重要性。政策应鼓励长期资本投入，提供税收优惠激励，保持移民对创新的关键作用。

文章涉及广泛研究领域，如社会进步、医疗保健、纳米科技、化学问题、自清洁涂层技术等。讨论了历史上经济衰退与人口增长理论，现代科研投资的增长，以及健康领域的变化。多篇论文报告覆盖微观材料工程、蛋白质研究到肿瘤治疗，反映科技进步多元化和全球化。

尽管面临困难，新一代年轻人对科技的热情和解决全球问题的承诺令人对未来充满希望。教育机构需培养跨学科知识和解决问题能力，应对世界挑战。尽管国际学生在美国高等教育中的角色有所下降，但其重要性不言而喻。科技进步在全球化的背景下持续发展，影响着我们的生活和社会。

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