学科交叉在生命科学研究中的作用

新 娟

匡廷云院士简介

匡廷云是中国科学院植物研究所研究员、中国科学院院士、欧亚科学院院士；中国植物学会名誉理事长、中国植物生理学会名誉理事长；生物膜与膜生物工程国家重点实验室学术委员会主任、植物生理生化国家重点实验宣学术委员会主任。匡延云院士在国际上享有较高的声誉，1987年被选为国际光合作用研究学会执行委员会委员，主要从事光合作用的研究工作，特别在光合膜、叶绿素蛋白复合体的结构与功能方面进行了系统、深入的研究，取得了在国际上有重要影响的成果。匡廷云院士已在国内外发表论文300余篇，有些论文被国外有关学者广泛引用；曾荣获国家自然科学二等奖、中科院科技进步奖及自然科学奖多项及黑龙江省部一等奖及二等奖等。

2007年在沈阳科学学术年会的分会场一沈阳农业大学生命科学技术学院，中国科学院匡廷云院士做了一场“21世纪生命科学发展的趋势”的学术报告。

匡廷云院士认为，学科交叉是“跨学科”研究活动，其结果导致的知识体系构成了交叉科学。自然界的各种现象之间本来就是一个相互联系的有机整体，人类社会也是自然界的一部分，因而人类对于自然界的认识所形成的科学知识体系也必然就具有整体化的特征。科学史表明，科学经历了综合、分化、再综合的过程。现代科学则既高度分化又高度综合，而交叉科学又集分化与综合于一体，实现了科学的整体化。

学科交叉点往往就是科学新的生长点、新的科学前沿，这是最有可能产生重大的科学突破，使科学发生革命性的变化。同时，交叉科学是综合性、跨学科的产物，因而有利于解决人类面临的重大复杂科学问题、社会问题和全球性问题。

生命科学在自然科学中的地位。生命科学研究的对象是整个生物界及其与环境的相互作用，揭示新的原理和探索新的技术，进行多学科的交叉和渗透，并广泛应用生命科学的理论和方法去解决当今人类面临的食物、人口、健康、资源、生态、环境、能源、信息和材料等问题。19世纪以来，物理学、化学、数学、地球科学以及技术科学的理论和技术成就，提供了人们认識生命活动规律的许多新技术和新手段，极大地促进了生命科学的发展。而生命科学的发展又推动了整个自然科学的发展。生命科学是自然科学的一个重要组成部分。生命科学的发展，将导致自然科学进入复杂性研究的新领域，生命科学的进步，也向数学、物理学、化学以及技术科学提出了许多新问题、新概念和新的研究领域。21世纪生命科学将是当代科学体系中的“主力军”之一，从一个国家对科研投入的角度来看，科学越发达的国家对生命科学研究的投入所占比例越大。

从1995年美国科学技术专刊引文来看，全部科学和技术是47059篇，其中包括物质科学和技术科学，工程技术和生命科学。生命科学是35591篇，占全部总数的75.6％。

从美国科学研究和发展经费来看。1995年全部科学和技术经费是20540百万美元，其中包括物理科学，数学，计算机科学。环境科学，心理学，生命科学等，生命科学是11276百万美元，占全部总数的55％。

以上数据说明生命科学在知识创新中的重要地位，它将成为21世纪科学体系中的“主力军”之一，生命科学已经成为衡量一个国家发展水平的重要指标。

DNA双螺旋结构的分子模型是当代学科交叉研究的结晶。DNA双螺旋结构的分子模型的建立是20世纪生命科学发展的里程碑，它标志着现代分子遗传学的诞生，开辟了20世纪分子生物学的新纪元，揭示了世界上千差万别的生命种群和个体在分子结构和遗传机制上的统一性，并为DNA重组为主要手段的基因工程奠定了基础，对生命科学的发展，对农业、工业、环境和医药的发展产生了巨大的、极其深远的影响。这项成果是如何产生的?他们成功的奥秘何在呢?这项重大生命科学成果为什么会产生在一个物理实验室(Cavendish Lab，)?生物学家沃森(Wagon)与物理学家克里克(crick)是如何结合的?

在第二次世界大战后，一些物理学家深感核物理学在科学上的双刃性，因而有一批物理学家转向了生物大分子结构的研究。而在英国剑桥大学Cavendish Lab，开展了蛋白质X-衍射的晶体结构研究，而在英国帝国伦敦大学Wilkins Lab.开展了核酸X-衍射的晶体结构

沃森(Watson)和克里克(Crick)对DNA的激情和狂热追求，使二人紧密的结合起来了。两人年龄相差8岁，都因为受到奥地利理论物理学家E.Schrodinger著《生命是什么?》一书的影响而立志要探索生命的奥秘。并都为此目标而几经曲折才先后来到卡文迪什实验室(英国的物理实验室)。其中克里克(Crick)已过而立之年，不惜两次放弃已经到手的工作良机，在L.Bragg指导下研究蛋白质x一射线晶体学，他觉得这比较接近他的目标，就争取到那里作了博士研究生。Wauon在大学期间就喜欢上基因课程。1950年22岁时获得博士学位，赴丹麦做博士后。一次偶然的机会他去意大利开会听了MWilkim关于DNA的x一射线晶体学报告而受到吸引，曾千方百计想投奔Wilkim均遭冷遇，Watson不得已辗转来到卡文迪什做博士后，作蛋白质的x一射线晶体研究。期间，目的只是为了有朝一日能将学到x一射线衍射技术去解决自己心仪已久的DNA分子结构的问题。

1951年9月，二人在卡文迪什实验室相识，经过交谈，Watson对DNA的痴迷立刻引起Crick的共鸣。彼时美国加州理工学院的著名化学家L Pauling有关蛋白质多肽链a-螺旋结构的报告刚问世不久，他们了解到Pauling成功背后曾使用过分子建模的方法，受此启发，二人决心利用他们能从DNAx-射线衍射图上计算和推测出的有限数据，立刻着手构建DNA的分子模型。他们一共建构过三个模型：第一个模型是三链的显然是错误的，第二个模型是双链的，但因碱基配对和比例不对也没有成功。在这期间，他们受到领导的训斥，同事的讥讽，失败的打击，但却没有气馁，而是边干边学，不懂就问，不会就学，错了就改，重新再来，如此坚持不懈。

1951年秋，真正有实力问鼎DNA分子结构者首推伦敦King's College的物理学家M Wilkim和化学家R Franklin。当时最好的DNA x一射线衍射照片都出自这里。Wilkim和Franklin自己为什么未成为此一结构的最先构建呢?据说根本的原因在于他们坚信利用x一射线衍射技术才是解决DNA分子结构的正确途径。他们研究的虽然是生物大分子DNA的结构，却几乎未联系这一结构的生物学功能来思考问题。

另一位对DNA分子结构有兴趣并有实力的问鼎者为美国加州理工学院的著名化学家L Paullngo L Pauling

1939年首创化学键理论，成功构建了多肽的“一螺旋的分子结构模型，奠定其获得1954年诺贝尔奖化学奖的基础。而启发了Waston和Crick，必须建立DNA的分子结构模型。Pauling自己构建的DNA分子模型为何失败了呢?他提出的DNA三螺旋分子模型并未经过严格检验，他也没有详尽掌握DNA相关的生物学研究的最新信息。

相比之下，Waston和Crick无论在晶体学或结构化学方面都是新手，研究DNA分子结构并非他们的任务，因而一无经费，二无设备材料，也没有做过任何实验来直接获取有关数据，甚至还未全面掌握探讨此问题所需的各方面知识。可以说他们和前面两组人并不在同一起跑线上。但是，二人自1951年11月初次建模失败，到1953年4月联名发表“核酸的分子结构”一文，不过短短的16个月，竟然后来居上，“主要地根据已发表的资料和结构化学原理”建成DNA双螺旋分子模型，这不能不令世人惊讶，他们成功的奥秘何在呢?第一是二人对DNA的共同兴趣，执着的追求、信念和激情；第二是深层次学科交叉，有机结合，优势互补。

匡廷云院士在学术报告中列举了下列几组数据可以验证上述观点。

从诺贝尔生理学或医学奖来看，20世纪前50年总共获得41次，其中两个人以上共同获得的是14(10+4)次，占总数的34％；20世纪后50年总共获得50次，其中两个人以上共同获得的是40(17+23)次，占总数的80％。这反映当今重大科学发现愈来愈多地依靠多学科互相渗透和协同攻关的发展趋势，值得我们深思和借鉴。