學(xué)科交叉在生命科學(xué)研究中的作用

新 娟

匡廷云院士簡(jiǎn)介

匡廷云是中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士、歐亞科學(xué)院院士；中國(guó)植物學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng)、中國(guó)植物生理學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng)；生物膜與膜生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、植物生理生化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)宣學(xué)術(shù)委員會(huì)主任。匡延云院士在國(guó)際上享有較高的聲譽(yù)，1987年被選為國(guó)際光合作用研究學(xué)會(huì)執(zhí)行委員會(huì)委員，主要從事光合作用的研究工作，特別在光合膜、葉綠素蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能方面進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，取得了在國(guó)際上有重要影響的成果?？锿⒃圃菏恳言趪?guó)內(nèi)外發(fā)表論文300余篇，有些論文被國(guó)外有關(guān)學(xué)者廣泛引用；曾榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中科院科技進(jìn)步獎(jiǎng)及自然科學(xué)獎(jiǎng)多項(xiàng)及黑龍江省部一等獎(jiǎng)及二等獎(jiǎng)等。

2007年在沈陽(yáng)科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)的分會(huì)場(chǎng)一沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，中國(guó)科學(xué)院匡廷云院士做了一場(chǎng)“21世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)”的學(xué)術(shù)報(bào)告。

匡廷云院士認(rèn)為，學(xué)科交叉是“跨學(xué)科”研究活動(dòng)，其結(jié)果導(dǎo)致的知識(shí)體系構(gòu)成了交叉科學(xué)。自然界的各種現(xiàn)象之間本來(lái)就是一個(gè)相互聯(lián)系的有機(jī)整體，人類(lèi)社會(huì)也是自然界的一部分，因而人類(lèi)對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)所形成的科學(xué)知識(shí)體系也必然就具有整體化的特征。科學(xué)史表明，科學(xué)經(jīng)歷了綜合、分化、再綜合的過(guò)程。現(xiàn)代科學(xué)則既高度分化又高度綜合，而交叉科學(xué)又集分化與綜合于一體，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的整體化。

學(xué)科交叉點(diǎn)往往就是科學(xué)新的生長(zhǎng)點(diǎn)、新的科學(xué)前沿，這是最有可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破，使科學(xué)發(fā)生革命性的變化。同時(shí)，交叉科學(xué)是綜合性、跨學(xué)科的產(chǎn)物，因而有利于解決人類(lèi)面臨的重大復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題、社會(huì)問(wèn)題和全球性問(wèn)題。

生命科學(xué)在自然科學(xué)中的地位。生命科學(xué)研究的對(duì)象是整個(gè)生物界及其與環(huán)境的相互作用，揭示新的原理和探索新的技術(shù)，進(jìn)行多學(xué)科的交叉和滲透，并廣泛應(yīng)用生命科學(xué)的理論和方法去解決當(dāng)今人類(lèi)面臨的食物、人口、健康、資源、生態(tài)、環(huán)境、能源、信息和材料等問(wèn)題。19世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)以及技術(shù)科學(xué)的理論和技術(shù)成就，提供了人們認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)規(guī)律的許多新技術(shù)和新手段，極大地促進(jìn)了生命科學(xué)的發(fā)展。而生命科學(xué)的發(fā)展又推動(dòng)了整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展。生命科學(xué)是自然科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。生命科學(xué)的發(fā)展，將導(dǎo)致自然科學(xué)進(jìn)入復(fù)雜性研究的新領(lǐng)域，生命科學(xué)的進(jìn)步，也向數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及技術(shù)科學(xué)提出了許多新問(wèn)題、新概念和新的研究領(lǐng)域。21世紀(jì)生命科學(xué)將是當(dāng)代科學(xué)體系中的“主力軍”之一，從一個(gè)國(guó)家對(duì)科研投入的角度來(lái)看，科學(xué)越發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)生命科學(xué)研究的投入所占比例越大。

從1995年美國(guó)科學(xué)技術(shù)專(zhuān)刊引文來(lái)看，全部科學(xué)和技術(shù)是47059篇，其中包括物質(zhì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)，工程技術(shù)和生命科學(xué)。生命科學(xué)是35591篇，占全部總數(shù)的75.6％。

從美國(guó)科學(xué)研究和發(fā)展經(jīng)費(fèi)來(lái)看。1995年全部科學(xué)和技術(shù)經(jīng)費(fèi)是20540百萬(wàn)美元，其中包括物理科學(xué)，數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)。環(huán)境科學(xué)，心理學(xué)，生命科學(xué)等，生命科學(xué)是11276百萬(wàn)美元，占全部總數(shù)的55％。

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明生命科學(xué)在知識(shí)創(chuàng)新中的重要地位，它將成為21世紀(jì)科學(xué)體系中的“主力軍”之一，生命科學(xué)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的重要指標(biāo)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型是當(dāng)代學(xué)科交叉研究的結(jié)晶。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型的建立是20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的里程碑，它標(biāo)志著現(xiàn)代分子遺傳學(xué)的誕生，開(kāi)辟了20世紀(jì)分子生物學(xué)的新紀(jì)元，揭示了世界上千差萬(wàn)別的生命種群和個(gè)體在分子結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制上的統(tǒng)一性，并為DNA重組為主要手段的基因工程奠定了基礎(chǔ)，對(duì)生命科學(xué)的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境和醫(yī)藥的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的、極其深遠(yuǎn)的影響。這項(xiàng)成果是如何產(chǎn)生的?他們成功的奧秘何在呢?這項(xiàng)重大生命科學(xué)成果為什么會(huì)產(chǎn)生在一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室(Cavendish Lab，)?生物學(xué)家沃森(Wagon)與物理學(xué)家克里克(crick)是如何結(jié)合的?

在第二次世界大戰(zhàn)后，一些物理學(xué)家深感核物理學(xué)在科學(xué)上的雙刃性，因而有一批物理學(xué)家轉(zhuǎn)向了生物大分子結(jié)構(gòu)的研究。而在英國(guó)劍橋大學(xué)Cavendish Lab，開(kāi)展了蛋白質(zhì)X-衍射的晶體結(jié)構(gòu)研究，而在英國(guó)帝國(guó)倫敦大學(xué)Wilkins Lab.開(kāi)展了核酸X-衍射的晶體結(jié)構(gòu)

沃森(Watson)和克里克(Crick)對(duì)DNA的激情和狂熱追求，使二人緊密的結(jié)合起來(lái)了。兩人年齡相差8歲，都因?yàn)槭艿綂W地利理論物理學(xué)家E.Schrodinger著《生命是什么?》一書(shū)的影響而立志要探索生命的奧秘。并都為此目標(biāo)而幾經(jīng)曲折才先后來(lái)到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室(英國(guó)的物理實(shí)驗(yàn)室)。其中克里克(Crick)已過(guò)而立之年，不惜兩次放棄已經(jīng)到手的工作良機(jī)，在L.Bragg指導(dǎo)下研究蛋白質(zhì)x一射線晶體學(xué)，他覺(jué)得這比較接近他的目標(biāo)，就爭(zhēng)取到那里作了博士研究生。Wauon在大學(xué)期間就喜歡上基因課程。1950年22歲時(shí)獲得博士學(xué)位，赴丹麥做博士后。一次偶然的機(jī)會(huì)他去意大利開(kāi)會(huì)聽(tīng)了MWilkim關(guān)于DNA的x一射線晶體學(xué)報(bào)告而受到吸引，曾千方百計(jì)想投奔Wilkim均遭冷遇，Watson不得已輾轉(zhuǎn)來(lái)到卡文迪什做博士后，作蛋白質(zhì)的x一射線晶體研究。期間，目的只是為了有朝一日能將學(xué)到x一射線衍射技術(shù)去解決自己心儀已久的DNA分子結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

1951年9月，二人在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室相識(shí)，經(jīng)過(guò)交談，Watson對(duì)DNA的癡迷立刻引起Crick的共鳴。彼時(shí)美國(guó)加州理工學(xué)院的著名化學(xué)家L Pauling有關(guān)蛋白質(zhì)多肽鏈a-螺旋結(jié)構(gòu)的報(bào)告剛問(wèn)世不久，他們了解到Pauling成功背后曾使用過(guò)分子建模的方法，受此啟發(fā)，二人決心利用他們能從DNAx-射線衍射圖上計(jì)算和推測(cè)出的有限數(shù)據(jù)，立刻著手構(gòu)建DNA的分子模型。他們一共建構(gòu)過(guò)三個(gè)模型：第一個(gè)模型是三鏈的顯然是錯(cuò)誤的，第二個(gè)模型是雙鏈的，但因堿基配對(duì)和比例不對(duì)也沒(méi)有成功。在這期間，他們受到領(lǐng)導(dǎo)的訓(xùn)斥，同事的譏諷，失敗的打擊，但卻沒(méi)有氣餒，而是邊干邊學(xué)，不懂就問(wèn)，不會(huì)就學(xué)，錯(cuò)了就改，重新再來(lái)，如此堅(jiān)持不懈。

1951年秋，真正有實(shí)力問(wèn)鼎DNA分子結(jié)構(gòu)者首推倫敦King's College的物理學(xué)家M Wilkim和化學(xué)家R Franklin。當(dāng)時(shí)最好的DNA x一射線衍射照片都出自這里。Wilkim和Franklin自己為什么未成為此一結(jié)構(gòu)的最先構(gòu)建呢?據(jù)說(shuō)根本的原因在于他們堅(jiān)信利用x一射線衍射技術(shù)才是解決DNA分子結(jié)構(gòu)的正確途徑。他們研究的雖然是生物大分子DNA的結(jié)構(gòu)，卻幾乎未聯(lián)系這一結(jié)構(gòu)的生物學(xué)功能來(lái)思考問(wèn)題。

另一位對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)有興趣并有實(shí)力的問(wèn)鼎者為美國(guó)加州理工學(xué)院的著名化學(xué)家L Paullngo L Pauling

1939年首創(chuàng)化學(xué)鍵理論，成功構(gòu)建了多肽的“一螺旋的分子結(jié)構(gòu)模型，奠定其獲得1954年諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)的基礎(chǔ)。而啟發(fā)了Waston和Crick，必須建立DNA的分子結(jié)構(gòu)模型。Pauling自己構(gòu)建的DNA分子模型為何失敗了呢?他提出的DNA三螺旋分子模型并未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)，他也沒(méi)有詳盡掌握DNA相關(guān)的生物學(xué)研究的最新信息。

相比之下，Waston和Crick無(wú)論在晶體學(xué)或結(jié)構(gòu)化學(xué)方面都是新手，研究DNA分子結(jié)構(gòu)并非他們的任務(wù)，因而一無(wú)經(jīng)費(fèi)，二無(wú)設(shè)備材料，也沒(méi)有做過(guò)任何實(shí)驗(yàn)來(lái)直接獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，甚至還未全面掌握探討此問(wèn)題所需的各方面知識(shí)。可以說(shuō)他們和前面兩組人并不在同一起跑線上。但是，二人自1951年11月初次建模失敗，到1953年4月聯(lián)名發(fā)表“核酸的分子結(jié)構(gòu)”一文，不過(guò)短短的16個(gè)月，竟然后來(lái)居上，“主要地根據(jù)已發(fā)表的資料和結(jié)構(gòu)化學(xué)原理”建成DNA雙螺旋分子模型，這不能不令世人驚訝，他們成功的奧秘何在呢?第一是二人對(duì)DNA的共同興趣，執(zhí)著的追求、信念和激情；第二是深層次學(xué)科交叉，有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

匡廷云院士在學(xué)術(shù)報(bào)告中列舉了下列幾組數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證上述觀點(diǎn)。

從諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)來(lái)看，20世紀(jì)前50年總共獲得41次，其中兩個(gè)人以上共同獲得的是14(10+4)次，占總數(shù)的34％；20世紀(jì)后50年總共獲得50次，其中兩個(gè)人以上共同獲得的是40(17+23)次，占總數(shù)的80％。這反映當(dāng)今重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)愈來(lái)愈多地依靠多學(xué)科互相滲透和協(xié)同攻關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，值得我們深思和借鑒。