學科交叉在生命科學研究中的作用

新 娟

匡廷云院士簡介

匡廷云是中國科學院植物研究所研究員、中國科學院院士、歐亞科學院院士；中國植物學會名譽理事長、中國植物生理學會名譽理事長；生物膜與膜生物工程國家重點實驗室學術委員會主任、植物生理生化國家重點實驗宣學術委員會主任?？镅釉圃菏吭趪H上享有較高的聲譽，1987年被選為國際光合作用研究學會執行委員會委員，主要從事光合作用的研究工作，特別在光合膜、葉綠素蛋白復合體的結構與功能方面進行了系統、深入的研究，取得了在國際上有重要影響的成果?？锿⒃圃菏恳言趪鴥韧獍l表論文300余篇，有些論文被國外有關學者廣泛引用；曾榮獲國家自然科學二等獎、中科院科技進步獎及自然科學獎多項及黑龍江省部一等獎及二等獎等。

2007年在沈陽科學學術年會的分會場一沈陽農業大學生命科學技術學院，中國科學院匡廷云院士做了一場“21世紀生命科學發展的趨勢”的學術報告。

匡廷云院士認為，學科交叉是“跨學科”研究活動，其結果導致的知識體系構成了交叉科學。自然界的各種現象之間本來就是一個相互聯系的有機整體，人類社會也是自然界的一部分，因而人類對于自然界的認識所形成的科學知識體系也必然就具有整體化的特征?？茖W史表明，科學經歷了綜合、分化、再綜合的過程?，F代科學則既高度分化又高度綜合，而交叉科學又集分化與綜合于一體，實現了科學的整體化。

學科交叉點往往就是科學新的生長點、新的科學前沿，這是最有可能產生重大的科學突破，使科學發生革命性的變化。同時，交叉科學是綜合性、跨學科的產物，因而有利于解決人類面臨的重大復雜科學問題、社會問題和全球性問題。

生命科學在自然科學中的地位。生命科學研究的對象是整個生物界及其與環境的相互作用，揭示新的原理和探索新的技術，進行多學科的交叉和滲透，并廣泛應用生命科學的理論和方法去解決當今人類面臨的食物、人口、健康、資源、生態、環境、能源、信息和材料等問題。19世紀以來，物理學、化學、數學、地球科學以及技術科學的理論和技術成就，提供了人們認識生命活動規律的許多新技術和新手段，極大地促進了生命科學的發展。而生命科學的發展又推動了整個自然科學的發展。生命科學是自然科學的一個重要組成部分。生命科學的發展，將導致自然科學進入復雜性研究的新領域，生命科學的進步，也向數學、物理學、化學以及技術科學提出了許多新問題、新概念和新的研究領域。21世紀生命科學將是當代科學體系中的“主力軍”之一，從一個國家對科研投入的角度來看，科學越發達的國家對生命科學研究的投入所占比例越大。

從1995年美國科學技術?？膩砜?，全部科學和技術是47059篇，其中包括物質科學和技術科學，工程技術和生命科學。生命科學是35591篇，占全部總數的75.6％。

從美國科學研究和發展經費來看。1995年全部科學和技術經費是20540百萬美元，其中包括物理科學，數學，計算機科學。環境科學，心理學，生命科學等，生命科學是11276百萬美元，占全部總數的55％。

以上數據說明生命科學在知識創新中的重要地位，它將成為21世紀科學體系中的“主力軍”之一，生命科學已經成為衡量一個國家發展水平的重要指標。

DNA雙螺旋結構的分子模型是當代學科交叉研究的結晶。DNA雙螺旋結構的分子模型的建立是20世紀生命科學發展的里程碑，它標志著現代分子遺傳學的誕生，開辟了20世紀分子生物學的新紀元，揭示了世界上千差萬別的生命種群和個體在分子結構和遺傳機制上的統一性，并為DNA重組為主要手段的基因工程奠定了基礎，對生命科學的發展，對農業、工業、環境和醫藥的發展產生了巨大的、極其深遠的影響。這項成果是如何產生的?他們成功的奧秘何在呢?這項重大生命科學成果為什么會產生在一個物理實驗室(Cavendish Lab，)?生物學家沃森(Wagon)與物理學家克里克(crick)是如何結合的?

在第二次世界大戰后，一些物理學家深感核物理學在科學上的雙刃性，因而有一批物理學家轉向了生物大分子結構的研究。而在英國劍橋大學Cavendish Lab，開展了蛋白質X-衍射的晶體結構研究，而在英國帝國倫敦大學Wilkins Lab.開展了核酸X-衍射的晶體結構

沃森(Watson)和克里克(Crick)對DNA的激情和狂熱追求，使二人緊密的結合起來了。兩人年齡相差8歲，都因為受到奧地利理論物理學家E.Schrodinger著《生命是什么?》一書的影響而立志要探索生命的奧秘。并都為此目標而幾經曲折才先后來到卡文迪什實驗室(英國的物理實驗室)。其中克里克(Crick)已過而立之年，不惜兩次放棄已經到手的工作良機，在L.Bragg指導下研究蛋白質x一射線晶體學，他覺得這比較接近他的目標，就爭取到那里作了博士研究生。Wauon在大學期間就喜歡上基因課程。1950年22歲時獲得博士學位，赴丹麥做博士后。一次偶然的機會他去意大利開會聽了MWilkim關于DNA的x一射線晶體學報告而受到吸引，曾千方百計想投奔Wilkim均遭冷遇，Watson不得已輾轉來到卡文迪什做博士后，作蛋白質的x一射線晶體研究。期間，目的只是為了有朝一日能將學到x一射線衍射技術去解決自己心儀已久的DNA分子結構的問題。

1951年9月，二人在卡文迪什實驗室相識，經過交談，Watson對DNA的癡迷立刻引起Crick的共鳴。彼時美國加州理工學院的著名化學家L Pauling有關蛋白質多肽鏈a-螺旋結構的報告剛問世不久，他們了解到Pauling成功背后曾使用過分子建模的方法，受此啟發，二人決心利用他們能從DNAx-射線衍射圖上計算和推測出的有限數據，立刻著手構建DNA的分子模型。他們一共建構過三個模型：第一個模型是三鏈的顯然是錯誤的，第二個模型是雙鏈的，但因堿基配對和比例不對也沒有成功。在這期間，他們受到領導的訓斥，同事的譏諷，失敗的打擊，但卻沒有氣餒，而是邊干邊學，不懂就問，不會就學，錯了就改，重新再來，如此堅持不懈。

1951年秋，真正有實力問鼎DNA分子結構者首推倫敦King's College的物理學家M Wilkim和化學家R Franklin。當時最好的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構的最先構建呢?據說根本的原因在于他們堅信利用x一射線衍射技術才是解決DNA分子結構的正確途徑。他們研究的雖然是生物大分子DNA的結構，卻幾乎未聯系這一結構的生物學功能來思考問題。

另一位對DNA分子結構有興趣并有實力的問鼎者為美國加州理工學院的著名化學家L Paullngo L Pauling

1939年首創化學鍵理論，成功構建了多肽的“一螺旋的分子結構模型，奠定其獲得1954年諾貝爾獎化學獎的基礎。而啟發了Waston和Crick，必須建立DNA的分子結構模型。Pauling自己構建的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過嚴格檢驗，他也沒有詳盡掌握DNA相關的生物學研究的最新信息。

相比之下，Waston和Crick無論在晶體學或結構化學方面都是新手，研究DNA分子結構并非他們的任務，因而一無經費，二無設備材料，也沒有做過任何實驗來直接獲取有關數據，甚至還未全面掌握探討此問題所需的各方面知識?？梢哉f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月聯名發表“核酸的分子結構”一文，不過短短的16個月，竟然后來居上，“主要地根據已發表的資料和結構化學原理”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DNA的共同興趣，執著的追求、信念和激情；第二是深層次學科交叉，有機結合，優勢互補。

匡廷云院士在學術報告中列舉了下列幾組數據可以驗證上述觀點。

從諾貝爾生理學或醫學獎來看，20世紀前50年總共獲得41次，其中兩個人以上共同獲得的是14(10+4)次，占總數的34％；20世紀后50年總共獲得50次，其中兩個人以上共同獲得的是40(17+23)次，占總數的80％。這反映當今重大科學發現愈來愈多地依靠多學科互相滲透和協同攻關的發展趨勢，值得我們深思和借鑒。