雷錦誌：從數學到生物

    創新之路

    作者：閆冬雪

    雷錦誌，清華大學周培源應用數學研究中心副研究員，博士生導師。2001年在北京航空航天大學獲得一般力學與力學基礎博士學位，2001-2003年在清華大學數學科學係做博士後，2003年博士後出站後進入清華大學周培源應用數學研究中心。

    與美國、加拿大和新加坡等海外高校的學者保持密切的國際交流合作。多次訪問美國加州大學爾灣分校、加拿大麥吉爾大學和新加坡南洋理工大學。訪問期間分別與Frederic Wan， Qing Nie， Michael Mackey， Leon Glass， Kerson Huang等教授從事應用數學、非線性動力學與生理學、生物物理學等領域的研究工作。從1995年至今共發表國內外論文70餘篇，其中SCI論文40多篇，被SCI引用300餘次，出版專著1本。

    愛因斯坦說：“科學是從雜亂的多樣性的世界中找出萬有的定律”。雷錦誌也說：“複雜多變的生命現象背後也許存在簡單的規律”。對自然規律的研究離不開量化的研究手段，對複雜生物係統亦然。伴隨著生命科學“後基因組”時代的到來，一門發展中的綜合學科——係統生物學應運而生。

    作為一門綜合了生物、數學、物理、信息與計算等學科在內的綜合性學科，係統生物學主要研究組成生命係統各組分之間相互關聯的邏輯關係，通過對複雜生命係統的數學建模和計算模擬探討生物現象背後的規律。清華大學周培源應用數學研究中心副研究員、博士生導師雷錦誌12年前從清華大學數學科學係博士後出站以後踏入這一陌生而又充滿挑戰的領域，打開了科研生涯新的篇章。

    從數學到生物

    “二十世紀的應用數學研究物理，二十一世紀的應用數學應該研究生物。”雷錦誌清晰地記得林家翹先生的話語。2002年，清華大學周培源應用數學研究中心（以下簡稱“中心”）成立，林先生是中心的名譽主任。2003年，雷錦誌通過麵試，正式成為中心的一員。雷錦誌回憶說：“我從小就喜歡數學。最初選擇北京航空航天大學應用數學專業是因為我曾在一本科普雜誌上看到一篇關於數學是怎應用到飛機設計上的文章，我覺得這才是數學真正有用的地方。上大學時通過《自然科學中確定性問題的應用數學》這本書第一次知道林先生和他的工作。後來在一次學術報告會上受到林先生的影響，我開始對生物感興趣。我的科研分為兩個階段，進入中心以前是數學，進入中心後是生物。”

    生命係統包括從分子、細胞、組織到個體等不同空間尺度眾多組分的相互作用，體現了靜態組學信息的隨機突變、隨機漲落、內在生長發育、環境幹擾和動態響應等不同時間尺度的複雜動力學行為。這些不同的組分、信息、內在規律與動態響應等相互交織，呈現出我們所看到的奇妙的生物現象。麵對如此複雜的係統，僅僅依靠觀察和實驗難以應付。因此，必須依靠定量數學模型和大規模計算模擬，從海量信息中探索最有用的數據和背後的邏輯關係。而這些，都需要以數學物理為工具，曾經的數學基礎為雷錦誌更好地研究生物打下了紮實的基礎。

    “以前的生物學研究更多是依賴描述性的語言，而現在隨著新技術的應用和實驗手段的改進，對實驗結果的定量研究變得越來越重要。對這些實驗數據進行解讀和探索數據背後的內在規律成為生命科學研究中迫切需要解決的問題。從實驗中總結規律並且建立數學模型探索背後的分子機製，是回答這些科學問題的有效方法。例如我們可以將細胞中分子相互作用關係建立定量模型，定量解釋數據，將表麵上沒有關聯的數據統一解釋。係統生物學作為一門新興學科，應當融合生物學的細節、物理學的統一、和數學的邏輯。”雷錦誌耐心地向記者解釋數學與生物之間的聯係和他對係統生物學的理解。

    隨著對係統生物學領域研究的逐漸深入，雷錦誌先後主持了兩項自然科學基金。在主持項目的同時，雷錦誌對中國的科研狀況頗有感慨：“係統生物學作為一門交叉學科在申請國內科研項目時存在一定的難度。雖然隨著國家對係統生物學成果的逐漸認可，這種狀況有所改善，但在資助與製度推動方麵與國際狀況相比仍然滯後。”但雷錦誌也表示，從整體看，係統生物學方麵的老師和教材越來越多，其發展前景將會越來越好。

    作為一名科研工作者，雷錦誌身體力行，將科研落到了實處。他曾應用莫澤爾扭轉定理給出了一維拉格朗日係統在周期激勵下周期解的穩定性判據；建立了二階多項式係統的微分伽羅華理論和可積性判據；對線性時滯隨機微分方程解的H無窮性質進行開創性的研究並且給出了特征函數的明確定義。與黃克孫教授合作建立了模擬蛋白質折疊的自避回歸遊走模型和並提出了被國際學者命名為Huang-Lei公式的具有普適意義的描述蛋白質結構彈性能量的唯象公式；對形態生成素濃度梯度的魯棒性問題做了係統研究並從數學上闡明了在果蠅翅膀發育中非受體蛋白對調控魯棒性的重要；建立了細胞凋亡相關的調控蛋白PDCD5的分子相互作用網絡的數學模型；對表觀遺傳與基因表達調控在成體幹細胞的增殖與分化中的相互作用提出了基於細胞各向異性的群體動力學模型和對細胞增殖調控的隨機動態規劃模型。

    獲得如此多的科研成就，雷錦誌的秘訣是“嚴謹性”，“這點是受了林先生的影響。為了向我解釋科學的含義，林先生特意讓我從字典找出science這個詞，然後逐一細讀其解釋，還給我解釋‘科學’與‘技術’的區別。生命是精細的，任何細節都要進行嚴謹的證明，做學問切忌‘拿來主義’。”林先生的科學理念影響了雷錦誌的一生。

    造血係統的非線性動力學

    人體的節律係統受複雜的調控機製所控製，經常表現出錯綜複雜的關係和豐富的非線性動力學行為。要認識這些生理節律的產生和調控機製，就要找到把生理學和動力學模型結合在一起的方法，非線性動力學正當此任。