【特别推荐】DARPA“专家之声”：前沿思考 着眼未来
2015年9月9日—11日，美国科技创新的“领头羊”国防高级研究计划局（DARPA）举办了为期三天的“未来技术论坛”。在这次前所未有的论坛上，包括国防部长阿什•卡特在内的美国政府高官、DARPA所有领域办公室主管以及来自世界各地的科学家、工程师和创新者齐聚一堂，探讨全球最优秀实验室中正在塑造的最前沿技术。
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DARPA“专家之声”：前沿思考 着眼未来
本次论坛中，DARPA组织了一场主题多样、思维发散的头脑风暴。在这里，我们将听到一个分子生物学家如何聚焦于化石研究，一个物理学家如何对种群动态着迷，以及一个找寻外星生命体的天体物理学家如何开拓一个关于生物、技术和数据的丰富的交叉领域。这样的研讨在当下来看也许难以理解，但DARPA的使命就是思考他人不会去思考的问题，就是探索和发现下一个惊喜，并去创造下一个惊喜。科学是一个丰富的领域，这个领域有着众多未知在等待我们。如果今天不去探讨未来的问题，那么DARPA就不是今天的DARPA，美国也不是今天的美国了。这就是DARPA的精神所在。
主持人简介：Geoff Ling，神经学家，DARPA生物技术办公室（BTO）的创办人，2004年起就在DARPA国防科学办公室（DSO）担任项目经理，研究领域覆盖神经科学、传染病学、药理学和军事医学等。其主持的具有革命意义的义肢项目，开发出可被患者大脑直接控制的手臂义肢；爆炸性神经损伤项目对强力冲击引起的脑外伤引入了新的治疗方法。拥有美国乔治城大学医学学位，康奈尔大学药理学博士学位。
嘉宾简介：
Jeff Gore 博士 麻省理工学院物理分部助理教授
Mark Norell 博士 美国自然历史博物馆古生物学部门主管
Lucianne Walkowicz 博士 芝加哥阿德勒天文馆天文学者，普林斯顿大学天体物理科学分部研究员
问题一：当今时代，大家都在热议大数据和生物学，请各位专家分享一下在稀疏数据方面的经验。
Lucianne Walkowicz博士：
当前在天文学和天体生物学领域，我们正处在一个非常有意思的点上，尤其是正在进入大数据时代的今天，但与此同时，我们收集到的信息其实很零散。现在我们并不再是你们想象中的天文学家的形象——夜间对着望远镜观察单个天体。如今，我的研究领域是建设大型机器人和大型观测望远镜，甚至是大型太空望远镜，来随时观察大量天体对象。比如我曾经参与的NASA开普勒任务，以及目前正在智利建造的最大的巡天望远镜。以在宇宙中寻找生命为例，NASA的开普勒任务已经发现了数以千计的行星，它们和地球一样，体积小，有岩石。与此同时，我们通过寻找恒星的微弱光芒来推断行星的存在，行星本身比恒星暗几百万倍，这点告诉我们该行星与恒星之间的距离以及行星的大小。因此，每次你看到报道说，我们发现了迄今所知最适合人类居住的星球，你就可以推断出我们真正知道的是，它接收从其母星发出的光的数量，并由此推断在其表面能否找到液态的水，同时也获知它的大小，使我们判断它是否有可能是类似地球的行星或是类似木星的大型行星。但事实上，相对于我们的唯一可居住、也是真正聚居的星球的复杂性，这个信息是相当稀少的。在这个意义上，我们探测和发现的能力，不仅是生命体可居住的地方，同时也是生命体本身，就目前而言，信息仍然是非常有限的。而这在不久的将来会在一定程度上有所改观，但我们还没有到那一步。
Mark Norell博士：
有些人研究化石，我研究所有与大数据相关的东西。我们的很多实验室在研究生物体。15年前，每个人都认为只要能获取所有基因组序列及其所有数据，并且有足够快的计算机来依据不同目的分析这些数据，就能取得很好的效果。可事实并非如此，现在我们具备了这些条件，却缺乏很好的处理数据的方法。单是标注一个单一的基因组就非常复杂，试图将这些基因组序列编排好是一项浩大的复杂工程。我认为稀疏数据跟大数据存在同样的问题。我们都试图得到一个整体画面来了解所有事物的相互作用关系。它们都跟遗传问题相关，并通过与遗传问题的项目合作来试图回答进化是如何产生的，其制约因素是什么，因此，它就变成了超出我们想象的更大的问题。
Jeff Gore博士：
在科学领域，我们都倾向于在这个稀疏数据范围内开展研究。因为，如果我们试图回答的这个问题拥有大量数据，我们会很快解答这个问题，并继续下一个问题，下一个问题中我们则可能只有非常有限的数据，我们会在这个问题上一直挣扎，所以我们永远是在稀疏数据的范围内开展研究。但就大数据革命方面，对我来说最有趣的问题是它能够解决的问题和能理解它的区别。因为在过去二者其实是一回事。但现在如果你观察机器学习等方面的一些进步，比如机器学习解决成像问题，也许没有人能描述电脑如何解决它。正确的解决方法可能不是传统的解决方式，在某些情况下，传统的解决方式也许是不正确的方法。在你们各自的领域，科学的方法和你使用的工具是什么，制约这些工具的因素又有哪些呢？我对了解人口动态很感兴趣，无论是在实验室还是自然界群体的有机体。在这个领域，确实有很多因为个体之间的相互作用而产生的有趣的进化和生态现象发生。问题是，在稀疏数据方面，也许古生物学家的情况比我更糟糕。斑马的自然种群是一个真正的稀疏数据问题：如果你想跟踪这个充满活力的群体的数据，你就得派人花费多年时间出去数斑马，这是一个真正的挑战。我们的实验组正在做的就是试着去了解群体的动态，但是在实验室里完成的。所以，我们做的是举例说明，我们采取一定群体，把他们放在实验室里，并试图了解它们（如合作型群体）的行为。如果给它们加以限制，也许它们不能在欺骗者策略存在的情况下生存，因为欺骗者会蔓延，这样也许会限制该群体的合作能力。在这种情况下，种群数量众多以及多种副本种群随时间而复制的情形下跟踪该群体的动态，就成了最大的问题。大家知道，过去五到十年的认知测序确实很了不起，因为在不同制度下，不同生物有很多的序列。但事实证明，如果想长期跟踪许多不同种类数以万计的个体时，仍要付出很大代价。测序和通过从生物中提取DNA等来制备样本的成本非常昂贵。在某种程度上，这是迄今为止限制我们跟踪这些种群动态的主要因素。如果你尝试比较我们对斑马种群的了解和我们对土壤中的细菌的了解，这是一个非常大的进步。总的来说，尽管了解斑马非常困难，但我们知道的已经很多，至少我们可以看到斑马。而土壤中的细菌基本上完全是个谜。你可以随时将它们提取出来放在显微镜下，但事实证明，尽管这可能是令人惊讶的复杂群落，但显微镜下的细菌看起来都一样。现在，随着测序技术的发展，我们开始去研究土壤和海洋里面的东西。
Lucianne Walkowicz博士：
人们通常认为，需要取得一些巨大的技术突破，人类才能发现宇宙中的生命。从研究方法来讲，我们现在从事的天文学研究的很多内容与我们过去一直做的非常类似。望远镜技术虽有进步，但它并未发生太大的变化。所以，在一定程度上，我们探测宇宙生命的能力实际上由我们如何配置资源来决定。在另一个星球上发现生命的能力基本上表现为寻找我们所说的生物标志物。这些标志物会揭示，该行星系统是否有决定生命是否存在的化学元素。这是很难做到的，因为这些行星距离我们有若干光年之遥，而在信号的使用上我们往往又非常有限。我们经常使用从恒星本身发出的通过行星大气到达地球的光来获得这样的化学元素，从而得出该行星大气层的物质构成。到目前为止，我们只能对有限的几个行星做这样的实验，在未来的几年，当哈勃望远镜的继承者——新生代望远镜詹姆斯·韦伯斯特太空望远镜启用的时候，我们将能对其它一些星球做这个实验，这将帮助我们检测这些行星的构成，判断它们是否宜居。但美中不足的是，我们还是只有非常有限的样本，在天文生物学以及对生命的检测中，更多样本意味着能获得更多的结论，在我们一致同意去宇宙中探寻生命迹象之前，我们必须先探寻到宇宙中的生命迹象。因为适合居住的星球目前只有地球，因此，我们是基于对地球上生命的观察来判断宇宙中的生命是否存在的。而生命的确会对大气有影响，但这是否典型却不得而知，所以我想我们会在自己意识到之前就获知有生命存在于宇宙中。
Mark Norell博士：
我认为我的工作全部基于一个假设，即生命是一段孤独的历史。所以从这一点出发，我们可以使用大量的工具，未来工具最大的需求是理论工具而非实际工具。因为作为古生物学家，我们处在技术食物链的末端。我们得到的真的不多，但过去的这些年还是很不错的。我们一直在做实验来试图发现恐龙是什么颜色。这个最新的应用就是使用过去三十年在理论上构造的一些遗传工具和生物地理工具来研究肿瘤和癌症。我们最初开发用来研究恐龙和甲虫的东西，现在可以应用到我从来没有想过的事物上面，这是非常有趣的。
问题二：进化在每一个学科中都发挥着至关重要的作用，你们对进化的重复性，实质上也就是它的可预测性，有什么想法？
Mark Norell博士：
如果从一般意义上来看待进化的话，进化是重复的，只是这种重复是不可预测的。从微机械到蛇腿的进化这样听起来相隔甚远的事物，都有很多我们称作交叉进化的东西。蛇腿进化完成的样子和我们通常称作蜥蜴的东西一样。也许因为我们不知道这些是不是独立样本，因此这个问题更加令人困惑，因为生命的进化就是从一个单个个体进化而来的不可逆历程。在发展机械和其它各种事物之间有很多交叉重叠。我想，我们接下来的努力方向是试着去了解一些这样的过程。其中一个大头就是发展本身。有些东西是如何慢慢进化成几百万年前那么复杂、那么难以实现的样子的呢？然后重新进化出和它相同的结构。类型一只是观察到的技术，这些东西源自共同的祖先，但他们得到的回报是完全相同的。更受亲睐的核型替代品在同一个地方一遍一遍地出现，我们重复看到同样的事情，注意到其中的很多限制。我的意思是有一定的核型的替换，而蛋白质和其它结构却从来没有改变过。有些事情的进化系统或遗传系统如此深奥，我们无法真正了解到底发生了什么，但是我认为最大的结论就是发展型形态学和微生物学在形态学背景下的交互作用方面，实在有很多工作要做。但我认为有一些先进的技术和理念，使得我们将来可以处理一些这样的东西。所以，简而言之：进化是重复的。它一遍又一遍地重复又重复。那么它是可预测的吗？到目前为止，这一点我们无法定论。
Jeff Gore博士：
我认为我们谈论可重复性和可预测性时，同时要说到讨论的长度范围和时间宽度。一方面，如果想了解短时间内发生的事情，可以在实验室进行研究。首先可以取相同的细菌群体，对几百个细菌进行取样，并把它们放在同一个抗生素或高温等具有挑战性的环境中。然后，你可以观察这几百个细菌进化的轨迹有哪些相似之处。就像Mark所说的，很多情况下，不同的细菌进化轨迹之间却有着惊人的重复性，对这些数以百计的细菌群进行排序，会发现同种基因以及出现在同一个可复制菌群中的同种基因，都有很大数量的模仿，而这是证明特定族群在同种特定环境下进化的重复性相当直接而强有力的证据。但是，如果想了解一些特定族群在更长的时间尺度上进化的重复性，那就比较困难了。进化有很多种方式，当我们思考进化的可预测性这个问题时，我们真正想知道的是地球上的所有生命这个大的景象，这就是一个稀疏数据的问题。
我们只有一个地球，不仅如此，我们还有身为观察者的极端偏见。这意味着地球肯定进化出了智能生命体，而且过程复杂，但我们想要获知这些数据是非常困难的。《科技评论》中RibsonBostom于2008年发表的一篇文章称希望人类没有在火星上发现生命，这听上去近乎疯狂，但Bostom的理由是他对费米悖论的态度。也就是说，银河系有一千亿颗恒星，很多恒星还有自己的行星，有相当数量的恒星还有跟地球差不多温度和大小的行星。由此可以推断，银河系应该充满智慧生命体，但如果这是真的，人类应该能够找到一些痕迹。他认为，应该存在一个难以发现的伟大的过滤器，在这个过程中的某个步骤隔离了无生命星球和人满为患的文明社会。Bostom的论点是，如果有这样伟大的过滤器，那么如果它属于过去，我们有幸已经避开了它，如果它存在于未来，那这就可能是人类科技界自寻死路。有趣的是，如果我们在火星或木卫二上发现完全独立进化的生命，这对我们将是一个非常不好的兆头。这意味着可能生命的进化也不是那么困难，那么将来我们会面对这个过滤器的可能就被提高了，这对我们的未来是坏消息。
Lucianne Walkowicz博士：
我认为这个悖论之所以如此有趣，是因为它实际上更多地阐述了人类本身而不是我们对宇宙的理解。首先，我仍然抱有希望能在火星上找到生命。我觉得这个悖论很有意思，因为它充分表明我们在宇宙中寻找生命所付出的努力。所以，我认为在过去几年我们大概了解了行星的数量，事实上他们普遍存在。这其中很有趣的一点就是，我们可能会去其中寻找生命的星球，大多数实际上是和我们的地球完全不同的。当我们在搜寻一个类似地球的星球时，大多数找到的是一些多岩石的星球，那些小星球其实是这个宇宙中最常见的一种行星。然而，类似我们太阳的恒星并不是最常见的一种，常见的其实是所谓被称作红矮星的星球体。红矮星体积大概是太阳的一半，光度也比太阳低很多，在折射中损失了大部分的光源。行星为了有足够的能量，为了让表面有形成液态水的可能，必须非常靠近恒星，并且这些恒星同时还有类似太阳耀斑的高能量物质。因此，它们也让围绕它们的表面受到紫外线和超辐射的作用。大部分的光被生命体用来进行光合作用等。但同时也有这些周期性注入的高能量辐射，这对生命体是非常不利的。从数字上讲，这占到宇宙中恒星的70％。因此，由于接近地球大小的行星在那些恒星周围发生的概率，同在太阳恒星周围发生的概率一样高，所以这意味着大多数我们可以寻找生命的地方和我们自己的星球是非常不同的。
因此，一方面，可能技术进步其实对生命而言并不全都是有利的，很可能的确存在一些伟大的过滤器，将来我们必须面对，而科技将帮助我们实现这一点，或者，大多数我们能在宇宙中找到的生命是非常不同的。我想说说我称之为超智能宇宙海豚的事。我们都觉得生命体是从小水坑或至少海洋里开始的，最终来到了陆地上，他们开始建立技术，开始做诸如寻找地球外超智能体这样的事情。可能有人说如果不参与星球的进化，一直待在水里，不爬上陆地，让生命体在水下蓬勃发展的话也许更好。那我们必须重新面对这样的事实：即空间探测是一个文化性的价值理念，但它也跟天空的可观测性紧紧地联系在一起，因此我们才有天文学的概念。我们可以理解，在宇宙中我们生活的星球是围绕恒星在空间轨道上旋转的，而这颗恒星也不过是宇宙中众多恒星之一。如果进化真的是在水下进行，生命体在水下繁衍繁殖，也许你不会有天文学的概念，或者类似现在地球上生命进化之后拥有例如宇宙探索这样的太空概念。所以在一定程度上，在我们研究进化的重复性或者生命是否推进科技发展，以及建构恐惧宇宙空间的文明方面，这是仅有的一个例子。这一点和我们认为宇宙人类就是全世界这一点的联系非常紧密。
Mark Norell博士：
我从未见过太空海豚化石，但我认为可以很容易想象出高度智能化的生命体居住在子系统世界，甚至可能会更好，因为他们将生活在一个三维的而不是二维的世界。我看不出有任何理由说生活在水中或任何其它地方的生命体不能进化并最终面临技术难题。
Jeff Gore博士：
我认为真的可能有超智能海豚存在太空当中，它们也许想、也许不想来拜访我们。但就费米悖论而言，这个问题的关键不在于是否有一些超智能海豚的存在，而在于是否所有智能生命体都是海豚的问题。我的答案可能并非如此。费米悖论是说，我们没有观测到任何智能生命体向我们传送信号或者来拜访我们。为了能够解释为什么我们还没有在宇宙中发现任何生命的迹象，我们就必须定论所有这些物种都遵循这些规则，这点我觉得令人难以置信。
Lucianne Walkowicz博士：
即便天体生物学是天文学领域一门新兴的热门学科，但在天体生物学家当中，宣称自己在宇宙中寻找智能生命仍然是一个非常边缘的事情，同时，我们也并没有真正投入资源去寻找宇宙生命。大家都看过的电影《超时空接触》，给我们留下的印象是我们一直在监听无线电信号，一直在寻找宇宙生命。但实际上，我们资源非常贫乏，以至于仅这一点点的搜索都很难。此外，说到搜寻科技先进的行星上的无线电信号外泄，我们发明无线电才几十年而已，现在因为技术的发展，也几乎不用它了。因此，在一定程度上，并不是整个宇宙都存在超智能太空海豚的。这就是为什么我说，这一点其实相比于宇宙的信息，透露更多的反而是我们自身的信息。也许现在，我们还没有研究那么多，而我们实际上并不是在用我们期待其它星球也同样使用的信号来探索宇宙的。因此，在一定程度上，我们正在试图对宇宙中的智能生命体做出推测，但是我们推测的基础却不是我们自己听到的或者我们正在做的事情。
问题三：三位专家各自领域的最最前沿的理念是什么？
Jeff Gore博士：
从我的角度来看，在人类历史上最近100或200年来一直是一个单一的时期。生命体一代和一代之间会有剧烈的变化，这点我们要习以为常。而在大部分人类历史中，生命体的一代和上一代的生活几乎是相同的。我认为这是相关的，因为也许只有最后一些事情有待我们去解决，只有最后一些支配自然现象的规则，这意味着最终事情会慢下来。这甚至可以反馈到我们之前关于费米悖论的讨论，也许它真的会是如此：即随着科技水平的发展，也许去邻近的行星会变得不切实际。而这可能导致费米悖论，但也可能导致一个令人沮丧的结果，那就是也许在一千年后我们的生活将会是‘去理想化’的乌托邦式生活。生活很精彩，但是过去的几百年你一直是这么生活的。
Lucianne Walkowicz博士：
我真的想认真寻找宇宙生命。我认为，即使是在拥有詹姆斯·韦伯斯特望远镜的时代，在我们还对其它星球及其构成有所了解时，我们可以做更多的事情。生命体构成的答案、可能有什么样的可替代性特征存在，这些是积极寻找智能生命的潜在广播信号。我认为哪怕只是信号问题，我们都需要慎重考虑才能继续前进，我想看到我们在费米悖论方面切实有所作为，而不是本来可以使用某些方法去观测的时候不去这样做，反倒等着他们来拜访。
Mark Norell博士：
人类的进步其实是想法和能量，就是产生新发现的方法。我想我们大多数人会认为真正的进步可以追溯到十九世纪初工业革命的开始。在此之前，人们的生活和预期与他们的父母大同小异，他们的父母的父母，父母的父母的父母，有可能这里或者那里有一点点进步，但都不是现在的水平和速度。我们现在在这里做的这个层次的事情，放到五十年前根本是不可想象的。进步是一个非常令人兴奋的概念，它帮助我们了解自己的世界和宇宙中的世界，这一进展将真正帮助我们。如果我们十年后再召开这次会议，我们会问一套完全不同的问题，我们将会有一套完全不同的工具可以使用和探索。
Geoff Ling（主持人）：
我认为就因为这些，进步即将到来。而我们这里就是进步的起源。
附：提问环节
1、今天谈论的问题其实是在反驳认知科学家这样的人。我的问题之一就是到底是先有梦境还是先有意识？已经有生命体实验证明生命体在休息的时候也有行为的动力和意识，但是生命体真的是有意识这么去做的吗？这就是进化里面一个有趣的问题。此外，我思考的另一件事是蛋在智能生命中的重要性，关于有形的内界和神秘的外界的问题。
Mark Norell博士：
有形的内界和神秘的外界应该有不同的理解和诠释方式。我认为在生命的开始和结束时都有相应的启示，生命的终点在美国将会是一个越来越大的话题。其中一个我认为我们必须感激的事情是，我们一开始就意识到真的有外太空的存在，的确有这样一个丰富的外界存在，我们对它产生了越来越强烈的好奇心。然而在生命的尽头，我们重新发现了内界的丰富。如果能意识到这一点，我们应该怎样度过自己的人生？我们应该在生命的终点回顾此生时发现它难以置信得丰富，我们都可以学着尊敬这一点。
2、生命可以像云在这个星球上蔓延那样变得更普遍吗？
Lucianne Walkowicz博士：
在一定程度上，我们不知道生命是如何分布在这个星球上的。我们只是猜测，人类是从水洼里出来的，并从那里开始传播开来。但是，这一过程是否同时发生在多个地点？这是一个悬而未决的问题。在一定程度上，在宇宙中的其它地方——无论是火星或是在别的星球上，寻找生命的一个主要动力就是为了了解生命是如何分布在某一行星上的。这是为了理解生命是普遍的典型存在，还是根据其来源和生活环境而分开的独立存在。在一定程度上，生命体真的有可能在云层中扩散开来，我们的确知道太阳系行星已经相互交换过物质。在我工作的实验室，我们有一片来自火星的物质，它的确就是存在于地球上的火星的一个片段。因此，我们知道，在太阳系内，一些坚强的生命形态可以在任何可能的条件下生存。所以将生命体带到宇宙中去是可能的，但是我们不知道它是从一个个体传播到另一个个体？抑或是通过大气传播？还是从一个单点开始扩散到一个星球上的。这就是我们需要找出答案的原因之一。
3、恐龙或其羽毛是什么颜色的？
Jeff Gore博士：
我们还不确切知道很多，但我们已经很接近答案了。我们分析这个问题通常有两种方式，其中一种是基于生物体中可以决定羽毛和动物本身颜色的一种物质。它们形状各异，如果你就不同的物质做一个调查，并简单地做一些多变量原则的组成研究，并创建一个预测模型。目前我们已经能确定的是，在中国北方发现的一些现存鸟类的近亲动物身上，它们的羽毛是耀眼的蓝色。我们使用的另一种技术是使用放射方法来看观察主要的有机金属残留物，通过观察不同氧化数据等可以得出结论，即恐龙看起来跟现代的鹦鹉的颜色差不多，是绿色或红色。这些技术给科学界带来了很大的希望，因为我们能够非常精准地检测到这些东西，不只是它们是什么颜色，还有他们的生理机能和饮食结构。
4、声音、科学和工程为我们提供工具，让我们来观察我们所生活的宇宙的内部结构。目前这些工具已经取得了很大进步，随着工具的改善，我们对于宇宙在时间、空间上的认识不断深入。已经有一些人，例如爱因斯坦，进行了超前于技术的预测，直到科技工具改进之后这些预测才被证实。随着我们的工具的发展和能力的增长，生物学的洞见是否可以帮助我们发现生命体以及寻找生命体的方法。
Jeff Gore博士：
首先，在科学界，理论预测和实验测量相互作用富有成效的例子很多。当然，爱因斯坦是一个极端的例子，但我们相信日常科学有这方面的能力。在生物学，甚至达尔文也推测过人类可能最初在非洲进化而来，他是基于那里物种多样性作出的推测，他不知道DNA的存在，所以显然他的推测不是基于基因的多样性而是物种多样性。这些例子就是从内部进行预测最后被证明是结论正确的例子。至于其它星球上的生命，我们当然有这个想法，认为也许水是必不可少的。但同样，我们只知道地球上的生命，所以我认为这个结论的准确性有待商榷。
Lucianne Walkowicz博士：
生命体最终的代谢是什么？生命体可以使用并靠其繁荣的终极物质到底是什么？现在我们都非常关注去寻找与地球类似的有液态水的星球，我们总是在谈论寻找碳基生命，是因为我们试图用一种可预测的方式去了解宇宙中的生命体，来探索生命体的生物特征。现在，我们在行星大气中寻找改变大气的化学印记。但是地球之所有一个氧化大气，是因为很久以前的生物体改变了它，例如蓝藻创造了大量的氧气，使得许多其它类型的生命无法在地球居住。所以，我认为推进这个前沿领域的发展以及理解还有什么生物特征未被发现等，是我们有在合成生物学领域的理论上或实验上可能有潜力做到的。
（本文节选自中国电子科技集团公司发展战略研究中心编译的《为了未来的未来——DARPA未来技术论坛文集》一书，获授权转载，在此向参与辛勤编译工作的同仁们表示感谢和敬意）
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