深瞳工作室出品
科技日报记者 张盖伦 吴叶凡 策划 刘恕 李坤
何为生命？对这一问题的追问，贯穿了人类千年科学探索史。
古希腊哲学家亚里士多德在《论灵魂》中以整体性视角定义生命的自发有序，物理学家薛定谔则在《生命是什么？》中用“以负熵为生”解码生命对抗混沌的物理内核。
而今，人类可以拆解生命直到分子层面，却难以破译生命跨尺度的完整运行逻辑。
9月初，北京大学宣布，由该校牵头的全景数字生命国际大科学计划（以下简称“全景数字生命计划”）正式发起筹备，并落地北京怀柔综合性国家科学中心。该计划被视为继人类基因组计划后，全球生命科技领域的又一战略制高点。
这一大科学计划将以全尺度、可验证、可闭环的数字化新范式，解码复杂生命系统，为回答人类千年的生命之问开拓新路。
引领生命科学新范式
在公众看来，数字生命更像“意识上传、数字永生”的科幻概念，但对科研人员来说，它有更现实的目的——不是在计算机里复制一个生命，而是建立能够被真实生命不断检验的数字模型，将其作为认识、合成、改造、设计生命的工具。
近年来，各国纷纷加快了在数字生命方向的布局。2023年，欧盟委员会发起虚拟人孪生计划；2025年，美国科学家团队发布全球首个亿级扰动单细胞数据集Tahoe-100M，被业内认为将为虚拟细胞带来“GPT时刻”；德国SCALE计划、瑞典Alpha Cell项目也在同步推进……
全景数字生命计划由中国科学家发起，核心目标是构建从分子网络、细胞、器官到全生命体的数字化模型体系，用于模拟、预测和干预生命过程。
采访中，北京大学博雅特聘教授、国家生物医学成像科学中心主任陈良怡反复提起一个词——“跨尺度”。
生命的魅力在于其极端复杂性：从微观的原子、分子到宏观的生命个体，从微秒级的分子反应到以年为单位的个体生命周期，生命跨越10个量级的时空尺度。
陈良怡解释，10个层级之间并非简单、静态的“加和”，研究者在每个层级都会遇到根本性的新问题，并由此发现“涌现”而生的全新行为。
他举了一个例子——胰岛素两相分泌。
两相分泌，是指当血糖急剧上升时，可以刺激胰岛素快速短暂的第一相分泌和缓慢持续的第二相分泌。2型糖尿病患者的胰岛素第一相分泌往往存在问题。搞清楚两相分泌如何调控，是理解和治疗2型糖尿病的关键。
胰岛素两相分泌现象被发现70余年以来，学界一直试图从单个基因和细胞中寻找调控机制的密码。每个β细胞里大约有1万个储存胰岛素的囊泡，有学者认为，胰岛素之所以分批释放，是因为这些囊泡分属不同区域——一批离细胞膜近，一批离得远。
跨尺度成像却带来了新的发现。陈良怡团队自研的活体胰岛成像技术，可同时观测胰岛内全部β细胞群体的囊泡融合事件。结果令人意外，受到葡萄糖刺激时，大约40%的β细胞分泌了超过80%的胰岛素。实际上，这些β细胞在时间上的同步和异步化，构成了胰岛素分泌的第一相和第二相。
这直接揭示了药物响应的“效率瓶颈”不是作用在囊泡层次，而在可释放胰岛素的β细胞层次。它为精准治疗提供了全新的靶向思路。
换个视角，故事就有不同的叙述方式，这也正是全景数字生命的要义。
“全景数字生命计划与整合生物学的理念高度契合，代表了生命科学研究的新范式。”中国科学院院士、中国科学院上海营养与健康研究所学术所长李林告诉科技日报记者，过去70余年，分子生物学、遗传学等领域取得重大突破，但人类在应对生命与健康领域的重大挑战时仍存在显著局限，根本原因是现有研究方法通常局限于特定层级或单一维度，存在数据碎片化、孤岛化问题，多数研究模型仅能开展相关性拟合与回顾性预测，难以实现跨人群、跨扰动条件下的外推。
构建生命的跨尺度数字模型之后，研究人员就能通过跨学科交叉研究，揭示生命运行的基本原理，为指导生命元件合成和生命改造开发创新工具。从新药研发、精准医疗，到延缓衰老、器官修复再生……更多关乎人类健康的想象，都可以围绕它展开。
中国方案底气何在
中国何以牵头这样一项大计划，底气从何而来？
答案的一部分，就在位于北京怀柔的多模态跨尺度生物医学成像设施（以下简称“大设施”）中。它是北京大学作为法人单位建设的“十三五”国家重大科技基础设施，于2025年3月正式通过竣工验收。
从空中俯瞰，六栋白色建筑沿黄金螺旋排布。整个建筑群像一个“细胞”，主楼就是“细胞核”。主楼穹顶的窗户像一只眼睛，寓意着人类对生命奥秘的持续探索。
大设施由四大核心平台与一大辅助平台构成：多模态医学成像装置、多模态活体细胞成像装置、多模态高分辨分子成像装置、全尺度图像数据整合系统以及样品制备与模式动物中心等。
在这里，轴向视野达2米的全人体PET/CT，仅需单床位扫描就能完成全身成像；实验小鼠可佩戴微型双光子显微镜自由活动，科研人员借此将神经活动信号和小鼠跑动、摄食、睡眠等行为建立关联；多模态高分辨分子成像装置，能够观测蛋白质、病毒、DNA以及细胞内部的超精细结构；冷冻电镜则可提供近原子级别的结构信息……由于各类设备产出的数据产品存在明显差异，全尺度图像数据整合系统则在后端负责完成数据的存储、运算、配准与解析工作。
大设施实现的跨尺度生物成像，覆盖从纳米级到米级的空间分辨率、从毫秒到数年的时间分辨率——它给了科研人员看待生命的全新视角，犹如一座生命观象台。
“人脑拥有千亿量级的神经元。正如研究宇宙需要天文观测台，理解生命也需要跨尺度生命观测设施。”陈良怡说。
放眼全世界，它也是全球唯一将如此多不同层级的观测设备全部整合在同一园区的大科学装置。针对同一个科学问题，对同一样品，可以同时从不同尺度进行连续观测，方便开展对比与交叉验证。
目前，大设施已服务30多家单位的400多个课题组，机时使用量超过4万小时，近100台套核心成像设备面向科研机构和企业用户预约开放。
陈良怡认为，在大部分AI for Science（人工智能驱动的科学研究）技术应用场景中，算力、算法都不是“核心战场”，真正拉开技术差距的是数据本身。而持续产生新数据并检验模型真伪，正是国家重大科学设施的独特能力。
首批样板项目已启动
这不是一项还停留在设想中的计划。全景数字生命计划的首批可验证样板任务已经启动，“数字线虫”就是其中之一。
2023年，二十余位欧美著名计算神经与生物学学者在开放获取平台arXiv发表联合署名的观点文章，呼吁学界启动完整神经系统逆向工程——系统测定线虫每个神经元的输入输出函数，采集多个体多模态实验数据，搭建能够预测生物行为的全神经仿真系统。
在这之前，北京大学未来技术学院、国家生物医学成像科学中心研究员马雷领衔的团队已于2022年发布数字线虫“天宝1.0”。2024年，他们的论文登上《自然计算科学》封面。
这是全球首个实现线虫“脑—身体—环境”闭环仿真的完整数字生命体。该模型依托全球数十年公开线虫生物数据搭建，并开展了多层级交叉验证。
做数字线虫时，马雷在智源研究院生命模拟研究中心任负责人。那时，团队想研究智能，但人脑结构过于复杂精密，扫描和模仿难度太大，线虫就成了理想的模仿对象。
自然界的生物都有智能——体长仅约1毫米、全身只有302个神经元的秀丽隐杆线虫也如此。这种小小的标准模式动物，能完成感知、逃逸、觅食、交配等一系列智能行为。
当年，马雷组建了一支十余人的交叉团队，用半年多完成了数字线虫初代模型。从纳米级的离子通道开始，团队构建神经元、神经网络，最终拼出线虫的完整数字生命体。
这条数字线虫同样有302个神经元、96块肌肉单元、3341个力学计算单元，最复杂的神经元由2313个计算舱室组成。马雷团队正在从数字线虫中提炼适应性行为的控制机制和探索驱动真实水下机器人的能力，逐步实现生物智能到机器智能的迁移。
近年来，国际上数字果蝇、数字斑马鱼等研究成为热点，将神经系统、身体与环境联系起来的生命模拟日益受到关注。马雷团队在精细闭环建模上的先行探索，也被国际同行列为值得重点关注的成果。
马雷向记者感慨：“眼下，国家大力支持青年科研人员跨学科探索，我们有协同攻关的组织能力和成功经验，有大型的交叉科研平台。当代中国科学家完全有能力也有责任开辟新的研究方向，成为引领者。”
在大设施上，数字线虫也能迎来升级。此前，数字线虫的建构都来自公开数据，标准不一；现在，马雷团队可以采集相互对应的线虫结构、神经活动与行为数据，用实验检验模型预测，推动数字线虫模型的持续迭代。
国际首个数字线虫仿真模型的诞生，被认为是北京大学开展“数字生命”相关实践的开端。
就在数字线虫完成后不久，一支面向“数字肾脏”的团队也组建了起来。
北京大学第一医院副院长杨莉是肾脏医学专家。和肾脏疾病交手许久，她深知这种疾病的隐匿性。早期，患者往往没有明显感觉，出现症状时肾脏损伤通常已较为严重。当前临床常用检验检查手段，要么只能反映肾脏整体状态，要么仅能获取极小局部组织样本，容易存在取样偏差；即便是分子层面的数据，也难以对应病灶在器官内的真实位置，不利于早期识别病变、预判病程走向，更难以支撑个体化诊疗。
她的团队和马雷团队合作，拟构建全肾脏数字图谱与数字孪生模型，弥补传统检测方式的短板，为肾脏相关疾病的早诊早治提供创新解决方案。
线虫与肾脏，恰好对应了马雷眼中数字生命的两条路径：“一条面向前沿科学，做数字线虫、数字斑马鱼，一步步模拟更高级模式动物，探讨生物启发的通用智能的涌现规律；另一条面向人民生命健康，做数字肾脏、数字心脏等器官模型，提升疾病诊断能力和个性化诊疗水平。”
大科学计划未来可期
在谈及全景数字生命计划时，多位专家都提到了人类基因组计划。
1990年，人类基因组计划启动，计划以1美元破译1对碱基的投入，测定组成人类基因组的30亿个碱基对序列。作为参与这项工作的唯一发展中国家，中国当年负责测定人类基因组全部序列的1%。
中国科学院院士杨焕明表示，就是这1%，带动了中国基因测序技术从追赶到并跑的跨越，并在测序仪研制量产和生物信息学软件开发等方面逐渐走向全球第一梯队。
如今，若能在生命科学领域发起一项国际大科学计划，意义不言而喻——大科学计划的发起者，永远是数据和标准的第一批受益者。而且，全景数字生命计划不仅服务科研，也将催生新的仪器、智能和生物制造产业，带动高端生命观测仪器与核心部件、数字医学与计算药物等产业发展。
李林提醒，数字生命研究已成为当前国际科技博弈的新焦点。因此，加快布局该领域，对构建自主可控的生命科学工具链与标准体系、保障国家生物安全具有重要战略意义。
“当前国内外数字生命研究进入白热化，真正的缺口是‘跨尺度’和‘可验证闭环’。”陈良怡说，“谁先把‘全尺度闭环+标准+验证’做成共同语言，谁就能定义下一阶段的规则。”
“跨尺度”要解决的核心技术难题，是如何把不同模态、不同层级的数据在同一生命坐标系内“对齐”。“可验证”，说的是数字生命模型的预测能够在现实世界中得到印证——比如数字线虫和真实线虫在接受同样刺激后，是否表现出一致的行为规律。
“闭环”则更进一步：模型根据已有观测提出新的预测，科研人员再通过新的实验、扰动和测量进行验证。预测正确，模型的适用范围得到确认；预测失败，则帮助研究者定位缺失机制并修正模型。如此反复，形成“观测—建模—预测—实验验证—模型更新”的循环。
“从可观测，到可对齐、可建模、可预测，再回到现实生命中的可验证和可干预——这构成了全景数字生命计划的基本闭环。”陈良怡强调。
目前，数字心脏、数字大脑成瘾机制、AI解码生物钟、数字肾脏等20项数字生命旗舰项目已经启动。
“我们期待依托该计划解决跨尺度整合生物学领域的核心科学问题，尤其是衰老相关的复杂机制。”参与计划的李林说，衰老是典型的跨层级复杂系统问题。他的团队试图构建可连续演化和可计算的“数字生命衰老模型”，推演从分子损伤累积到器官功能衰退的全过程，并反向指导干预验证，推动研究范式转型，“最终破解衰老的科学奥秘，助力实现健康衰老的目标”。
据了解，全景数字生命计划将织就一张涵盖至少20个国家的全球合作网络。网络采用“1个总部+N个国际卓越中心”的分布式协作架构。各方将合力破解“解码生命机理、预演生命过程”这一人类共同科学命题，并确立中国在全球生命数字化进程中的核心引领地位。
何为生命？面对这一人类叩问千年的问题，中国科学家正推动研究范式变革，定义新的规则，给出自己的解法。
