學(xué)科交叉在生命科學(xué)研究中的作用

匡廷云

(中國科學(xué)院植物研究所,北京100093)

院士報告

學(xué)科交叉在生命科學(xué)研究中的作用

匡廷云

(中國科學(xué)院植物研究所,北京100093)

學(xué)科交叉是“跨學(xué)科”的研究活動,其結(jié)果導(dǎo)致的知識體系構(gòu)成了交叉科學(xué).自然界的各種現(xiàn)象之間本來就是一個相互聯(lián)系的有機(jī)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(rèn)識所形成的科學(xué)知識體系也必然具有整體化的特征.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,實現(xiàn)了科學(xué)的整體化.

學(xué)科交叉點往往就是科學(xué)新的生長點、新的科學(xué)前沿,這里最有可能產(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,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面臨的重大復(fù)雜的科學(xué)問題、社會問題和全球性問題.

科學(xué)知識體系具有整體化的本質(zhì)特征.古代科學(xué)時期,人類只能直觀地認(rèn)識自然界,不可能揭示自然現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系.近代科學(xué)時期,人類已能對自然界進(jìn)行系統(tǒng)的觀察、比較精確的實驗,并初步建立起嚴(yán)密的邏輯體系.科學(xué)開始分化,形成了相當(dāng)精細(xì)的專門學(xué)科.在現(xiàn)代科學(xué)時期,科學(xué)的發(fā)展把分化與綜合緊密地聯(lián)系起來了,把人為分解的各個環(huán)節(jié)重新整合起來了.

物理學(xué)家、量子論的創(chuàng)始人普朗克M深刻地認(rèn)識到:“科學(xué)是內(nèi)在的整體,被分解為單獨的部門不是取決于事物的本質(zhì),而是取決于人類認(rèn)識能力的局限性.實際上存在著由物理學(xué)到化學(xué)、通過生物學(xué)和人類學(xué)到社會科學(xué)的鏈條,這是一個任何一處都不能被打斷的鏈條.”學(xué)科的交叉和滲透是當(dāng)代科技發(fā)展的必然趨勢,21世紀(jì)人們必將在跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的綜合問題中尋求更多的機(jī)會.學(xué)科交叉是創(chuàng)新的源泉,將導(dǎo)致科學(xué)的重大突破、高新技術(shù)的產(chǎn)生.

從圖1可見,無論是創(chuàng)造史的歷程,還是從原子、分子、基因組、細(xì)胞、個體、群體、生態(tài)系統(tǒng)到生物圈的空間尺度的發(fā)展,都充分顯示了不僅需要生物學(xué)各層次的交叉,還需要一級學(xué)科的相互滲透以及自然科學(xué)與人文科學(xué)的交叉和滲透.

圖1 創(chuàng)造史、從原子到生物圈和大氣層及其相關(guān)學(xué)科

下面舉幾個近代成功的學(xué)科交叉研究導(dǎo)致科學(xué)突破性進(jìn)展的例證.

1 由美國生物學(xué)家沃森(Watson)和英國物理學(xué)家克里克(Crick)合作建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型是當(dāng)代學(xué)科交叉的結(jié)晶

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型的建立是20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的里程碑,標(biāo)志著現(xiàn)代分子遺傳學(xué)的誕生,開辟了20世紀(jì)分子生物學(xué)的新紀(jì)元.但這項成果是如何產(chǎn)生的?當(dāng)時科學(xué)發(fā)展的時代背景是什么?這項重大生命科學(xué)成果為什么會產(chǎn)生在劍橋大學(xué)的一個物理實驗室——卡文迪什(Cavendish Lab.)?生物學(xué)家Watson與物理學(xué)家Crick是如何結(jié)合的?

當(dāng)時的時代背景表明,這項成果在二戰(zhàn)之后會產(chǎn)生在一個物理實驗室并不是偶然的.在二戰(zhàn)時,Cavendish Lab.主要從事原子物理、核物理的基礎(chǔ)研究及軍事研究.二戰(zhàn)后,基于安全考量,英國專門成立了國家實驗室,從事核物理及軍事方面的研究.此時,Cavendish Lab.失去了經(jīng)費和研究方向.研究室的領(lǐng)導(dǎo)有高度的戰(zhàn)略思想和宏觀調(diào)控能力,做了科研方向的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,開展了兩個新興學(xué)科方向的研究:射電天文學(xué),收集軍隊廢棄的雷達(dá)組成原始的射電望遠(yuǎn)鏡開展研究;生物大分子結(jié)構(gòu),利用原實驗室發(fā)展起來的X光晶體分析技術(shù)來研究生物大分子蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu).在艱苦條件下,Cavendish Lab.獲得了一大批原始創(chuàng)新成果,如發(fā)現(xiàn)了群星體、脈沖星、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等,造就了一大批諾貝爾獎獲得者.

對DNA的激情和狂熱追求使Watson和Crick緊密地結(jié)合起來.二人年齡相差8歲,都因為受到奧地利理論物理學(xué)家Schrodinger E的著作《生命是什么?》的影響而立志要探索生命的奧秘,并都為此目標(biāo)幾經(jīng)曲折才先后來到卡文迪什實驗室.其中Crick已過而立之年,不惜兩次放棄已經(jīng)到手的工作良機(jī),在Bragg L指導(dǎo)下研究蛋白質(zhì)X-射線晶體學(xué),他覺得這比較接近他的目標(biāo),就爭取到那里作了博士研究生. Watson大學(xué)時就喜歡基因課程,1950年22歲時獲博士學(xué)位并赴丹麥做博士后.一次偶然的機(jī)會,他聽了英國倫敦King's College的物理學(xué)家Wilkins M關(guān)于DNA的X-射線晶體學(xué)的報告而受到吸引,曾千方百計想投奔Wilkins,但均遭冷遇.Watson不得已輾轉(zhuǎn)來到卡文迪什做博士后,從事蛋白質(zhì)的X-射線晶體研究,目的只是為了有朝一日能運用學(xué)到的X-射線衍射技術(shù)去解決自己心儀已久的DNA分子結(jié)構(gòu)的問題.1951年9月,二人在卡文迪什實驗室相識,Watson對DNA的癡迷立刻引起Crick的共鳴.彼時美國加州理工學(xué)院的著名化學(xué)家Pauling L有關(guān)蛋白質(zhì)多肽鏈α-螺旋結(jié)構(gòu)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(fā),二人決心利用他們能從DNA X-射線衍射圖上計算和推測出的有限數(shù)據(jù),立刻著手構(gòu)建DNA的分子模型.他們一共構(gòu)建過三個模型: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(lǐng)導(dǎo)的訓(xùn)斥、同事的譏諷、失敗的打擊,但沒有氣餒,而是邊干邊學(xué)、不懂就問、不會就學(xué)、錯了就改、重新再來,如此堅持不懈,直到實現(xiàn)他們的目標(biāo).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,不過短短的16個月,竟然后來居上,主要根據(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?

1951年秋,真正有實力問鼎DNA分子結(jié)構(gòu)者首推倫敦大學(xué)King's College的物理學(xué)家Wilkins M和化學(xué)家Franklin R.當(dāng)時最好的DNA X-射線衍射照片都出自他們.Wilkins和Franklin為什么未成為此一結(jié)構(gòu)的最先構(gòu)建者呢?據(jù)說根本的原因在于他們堅信X-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)功能來思考問題.另一位對DNA分子結(jié)構(gòu)有興趣并有實力的問鼎者為Pauling L.他于1939年首創(chuàng)化學(xué)鍵理論,成功構(gòu)建了多肽的α-螺旋的分子結(jié)構(gòu)模型,奠定了獲得1954年諾貝爾獎化學(xué)獎的基礎(chǔ).這就啟發(fā)了Waston和Crick:必須建立DNA的分子結(jié)構(gòu)模型.Pauling曾提出DNA三螺旋分子模型,但該模型并未經(jīng)過嚴(yán)格檢驗,他也沒有詳盡掌握DNA相關(guān)的生物學(xué)研究的最新信息,因此失敗了.相比之下,Waston和Crick無論在晶體學(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),因而一無經(jīng)費,二無設(shè)備材料,也沒有做過任何實驗來直接獲取有關(guān)數(shù)據(jù),甚至還未全面掌握探討此問題所需的各方面知識.可以說他們和前面兩組人并不在同一起跑線上.但是,他們成功了,其中的奧秘何在呢?第一是二人對DNA的共同興趣,執(zhí)著的追求、信念和激情;第二是深層次的學(xué)科交叉,有機(jī)結(jié)合和優(yōu)勢互補(bǔ).

Watson生物學(xué)方面的貢獻(xiàn):當(dāng)時在國際上針對遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)還是DNA存在很大的爭論.因為蛋白質(zhì)由20多個氨基酸組成,不同排列形成成千上萬個不同的蛋白質(zhì),因此能夠貯存大量的遺傳密碼;而DNA只由4個堿基組成,受“4個核苷酸固定排列假說”的影響,DNA被認(rèn)為不可能貯存豐富的遺傳密碼.Watson確信DNA是遺傳物質(zhì),而非蛋白.這是由于在1951-1952年,美國冷泉港微生物遺傳學(xué)家Hershey A和Chase M用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼并用32P標(biāo)記噬菌體內(nèi)的DNA后,再去感染細(xì)菌.結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有帶32P的DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi),而含35S的蛋白質(zhì)外殼則留在了細(xì)菌體外,這一信息直接寄給了Watson,使他們更加確信遺傳物質(zhì)是DNA而非蛋白質(zhì).生化學(xué)家提出的“Chargaff比率”,即任何DNA樣品中4種堿基的克分子數(shù)總是A T、G C或A:T G:C 1,啟發(fā)Watson和Crick最終解決了DNA雙鏈堿基配對連結(jié)的問題,同時也為破解DNA自我復(fù)制之謎做出了貢獻(xiàn).

Crick的貢獻(xiàn):Crick大膽結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)中的建模方法,極力主張建立DNA的分子模型,并找來Pauling所著《化學(xué)鍵的本質(zhì)》一書進(jìn)行認(rèn)真學(xué)習(xí).Crick還根據(jù)Wilkins與Franklin的DNA分子X-射線衍射的圖片取得了建立分子模型的若干物理參數(shù).

最后Watson和Crick從生物學(xué)和物理學(xué)角度,深層次交叉,成功建成了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型.縱觀DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立,充分體現(xiàn)了晶體學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)等多學(xué)科的完美結(jié)合,也是歷史機(jī)遇與個人追求結(jié)合產(chǎn)生的碩果.由于DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型的建立,開辟了20世紀(jì)生命科學(xué)的新紀(jì)元;又由于計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,人類有能力破譯本身的遺傳密碼,因此啟動了人類基因組計劃(圖2).人類基因組計劃,被公認(rèn)為20世紀(jì)三大科學(xué)計劃(曼哈頓計劃、阿波羅登月計劃及人類基因組計劃)之一.

圖2 人類基因組

2 挑戰(zhàn)21世紀(jì)生命科學(xué)“通天塔”是多學(xué)科學(xué)者智慧的結(jié)晶

人類基因組破譯后,一部由30億個堿基對寫成的“天書”以及各種植物、動物、微生物基因組的破譯和各種組學(xué)的產(chǎn)生,使人們感到局勢逆轉(zhuǎn)了.現(xiàn)在的問題是,關(guān)于生命現(xiàn)象的分子層次的信息太多了,生物學(xué)有被海量信息淹沒之虞,亟需尋找一個新的工作框架,把描述性生物學(xué)積累起來的大量事實、海量數(shù)據(jù)組織起來,由此定量生物學(xué)應(yīng)運而生.加入這個隊伍的不僅有生物學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師,甚至醫(yī)生和企業(yè)家也被逐漸卷入.這支具有不同學(xué)科背景的研究大軍挑戰(zhàn)的是生命科學(xué)的“通天塔”.

3 紫色光合細(xì)菌光合作用反應(yīng)中心三維結(jié)構(gòu)的解析是當(dāng)代學(xué)科交叉的結(jié)晶

國際多學(xué)科交叉的優(yōu)秀范例,是三位德國科學(xué)家Deisenhofer J,M ichel M和Huber R成功地闡明了紫色光合細(xì)菌反應(yīng)中心的三維空間結(jié)構(gòu)(圖3),獲得了1988年諾貝爾化學(xué)獎.

圖3 紫色光合細(xì)菌反應(yīng)中心膜蛋白的空間結(jié)構(gòu)解析圖

4 高等植物主要捕光色素蛋白LHCⅡ空間結(jié)構(gòu)的解析,是多學(xué)科通力合作的結(jié)晶

在我國,由中國科學(xué)院生物物理所常文瑞領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和植物所匡廷云領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合作,通過生物化學(xué)、結(jié)晶學(xué)和物理學(xué)的交叉、有機(jī)結(jié)合的研究,成功地在世界上第一次在原子水平上解析了高等植物主要捕光色素蛋白LHCⅡ的空間結(jié)構(gòu),如圖4所示.國際同行認(rèn)為,這是當(dāng)代光合作用領(lǐng)域的重大突破.

5 合成生物學(xué)是多學(xué)科和多項現(xiàn)代技術(shù)交叉融合的結(jié)晶

一般認(rèn)為,合成生物學(xué)是分子生物學(xué)、基因組學(xué)、信息和工程技術(shù)交叉融合而產(chǎn)生的一系列新工具和手段.“合成生物學(xué)旨在設(shè)計和構(gòu)建生物部件、裝置系統(tǒng),并重新設(shè)計現(xiàn)有的天然生物系統(tǒng).”合成生物學(xué)的三大支撐技術(shù)是計算機(jī)建模技術(shù)、DNA測序技術(shù)和DNA合成技術(shù),其發(fā)展需要以強(qiáng)大的技術(shù)研究實力為依托.許多發(fā)達(dá)國家都看好合成生物學(xué),紛紛利用已有的知識和技術(shù)儲備部署力量,力爭盡快搶占制高點,以便在下一輪產(chǎn)業(yè)競爭如生物物質(zhì)合成的分子設(shè)計、能源植物的改造、能源和醫(yī)藥化工產(chǎn)品的高效生物合成等中獲得優(yōu)勢.

最后可從諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎來看學(xué)科交叉在研究工作中的意義.20世紀(jì)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(shù)的34%;20世紀(jì)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(shù)的80%.這反映出了當(dāng)今重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)愈來愈多地依靠多學(xué)科互相滲透和協(xié)同攻關(guān)的發(fā)展趨勢,值得我們深思和借鑒.

圖4 菠菜主要捕光復(fù)合物L(fēng)HC-II的晶體結(jié)構(gòu)

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DO I:10.3969/j.issn.1674-232X.2010.03.001