從成熟和極致到跨越和交叉

施郁

考察2022年三項(xiàng)諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成就，我發(fā)現(xiàn)有一個(gè)共同特點(diǎn)，那就是，對(duì)于自然界某個(gè)層次的研究做到成熟和極致，導(dǎo)致向另一層次的跨越和交叉。這體現(xiàn)了科學(xué)的還原論和層展論的統(tǒng)一，是交叉學(xué)科形成的一個(gè)機(jī)制，說(shuō)明當(dāng)代自然科學(xué)發(fā)展良好，孕育著更大的突破。

物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿斯佩（Alain Aspect）、 克勞澤（John F. Clauser）和蔡林格（Anton Zeilinger）。他們的糾纏光子實(shí)驗(yàn)證明了大自然違反貝爾不等式，并使量子糾纏成為有力工具，為量子信息科學(xué)和量子科技新時(shí)代打下基礎(chǔ)。

1969年，為了適應(yīng)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，克勞澤與三位合作者推廣了貝爾不等式，叫作CHSH不等式。1972年，他和另一位合作者做了個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明確實(shí)違反CHSH不等式。但這個(gè)實(shí)驗(yàn)中存在一些漏洞。1982年，阿斯佩與合作者的實(shí)驗(yàn)中，一對(duì)糾纏光子離開(kāi)源后，一對(duì)儀器的測(cè)量方式各自隨機(jī)變化，以排除隱藏關(guān)聯(lián)的可能性。但是這兩個(gè)儀器的距離不夠大。1997年，蔡林格研究組的實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)糾纏粒子的測(cè)量?jī)x器相距400米，補(bǔ)上了局域性漏洞。后來(lái)，蔡林格研究組還用糾纏光子實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)和糾纏交換等量子信息過(guò)程。

量子糾纏已經(jīng)成為很多量子信息過(guò)程的基礎(chǔ)。對(duì)量子糾纏的確立，使它得以從物理的層次跨越到信息的層次，開(kāi)辟了量子信息科學(xué)這一交叉學(xué)科。

化學(xué)獎(jiǎng)授予貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi）、夏普利斯（Barry Sharpless）和梅爾達(dá)爾（Morten Meldal）。夏普利斯和梅爾達(dá)爾為咔噠化學(xué)（即所謂“點(diǎn)擊化學(xué)”）打下基礎(chǔ)，將化學(xué)帶入功能主義時(shí)代。貝爾托西將咔噠化學(xué)應(yīng)用到生物體，繪制聚糖分子的圖譜，開(kāi)創(chuàng)了生物正交化學(xué)。生物正交反應(yīng)不干擾細(xì)胞的正?；瘜W(xué)反應(yīng)，所以被廣泛用于研究細(xì)胞里的化學(xué)過(guò)程，以及改進(jìn)癌癥藥物的靶向性。

夏普利斯2000年左右提出咔噠化學(xué)的概念，使得分子基元可以很快很有效地扣在一起大大提高分子制備的效率和規(guī)模。他用具有碳框架的小分子，通過(guò)氮原子或氧原子鏈接起來(lái)。此后不久，梅爾達(dá)爾和夏普利斯各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)銅離子催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)。炔烴與疊氮化物反應(yīng)，生成三唑環(huán)狀結(jié)構(gòu)。疊氮化物就像一個(gè)彈簧，由銅離子放出力，過(guò)程很穩(wěn)定。在兩個(gè)分子上分別引入疊氮化物和炔，借助銅離子，就可以扣在一起。 這被稱為理想咔噠反應(yīng)，得到廣泛應(yīng)用，比如在制藥中。貝爾托西將此反應(yīng)用于活細(xì)胞。通過(guò)迫使炔烴形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)變導(dǎo)致反應(yīng)，扣住疊氮化物，而不需銅離子（有毒）。熒光分子附在疊氮化物上，顯示聚糖在細(xì)胞表面的位置。

咔噠化學(xué)和化學(xué)功能主義，正如工程中廣泛存在的模塊化，大大提高效率，實(shí)現(xiàn)了層次的跨越。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予帕博（Svante P??bo），獎(jiǎng)勵(lì)他關(guān)于滅絕的古人類的基因組以及人類演化的發(fā)現(xiàn)。他開(kāi)創(chuàng)了古基因組學(xué)，對(duì)已經(jīng)滅絕的尼安德特人的基因組進(jìn)行了測(cè)序，還發(fā)現(xiàn)了另一種已經(jīng)滅絕的古人類丹尼索瓦人，而且人類7萬(wàn)年前走出非洲后，從這兩種古人類都得到過(guò)基因，這影響了我們的免疫系統(tǒng)對(duì)感染的應(yīng)答。 他通過(guò)比較智人與其他已經(jīng)滅絕的古人類的基因，揭示我們之所以為人的基礎(chǔ)。

他的成功建立在做到精致的遺傳學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，克服了巨大困難。比如古DNA的量非常小，還被細(xì)菌和當(dāng)代人污染。他分析了尼安德特人的線粒體DNA（只有一小部分遺傳信息，但是有數(shù)千個(gè)復(fù)本）。他和同事又改進(jìn)從古骨遺骸中分離和分析DNA的方法，還采用新的測(cè)序技術(shù)，并結(jié)合種群遺傳學(xué)和高級(jí)序列分析的方法。這些技術(shù)促使他的團(tuán)隊(duì)完成尼安德特人的基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)智人與丹尼索瓦人和尼安德特人的相遇和雜交。

正是遺傳學(xué)的成熟和技術(shù)精致，使得遺傳學(xué)跨越學(xué)科層次，成為人類學(xué)的工具。