学科交叉在生命科学研究中的作用

匡廷云

(中国科学院植物研究所,北京100093)

院士报告

学科交叉在生命科学研究中的作用

匡廷云

(中国科学院植物研究所,北京100093)

学科交叉是“跨学科”的研究活动,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,这里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的科学问题、社会问题和全球性问题.

科学知识体系具有整体化的本质特征.古代科学时期,人类只能直观地认识自然界,不可能揭示自然现象的内在联系.近代科学时期,人类已能对自然界进行系统的观察、比较精确的实验,并初步建立起严密的逻辑体系.科学开始分化,形成了相当精细的专门学科.在现代科学时期,科学的发展把分化与综合紧密地联系起来了,把人为分解的各个环节重新整合起来了.

物理学家、量子论的创始人普朗克M深刻地认识到:“科学是内在的整体,被分解为单独的部门不是取决于事物的本质,而是取决于人类认识能力的局限性.实际上存在着由物理学到化学、通过生物学和人类学到社会科学的链条,这是一个任何一处都不能被打断的链条.”学科的交叉和渗透是当代科技发展的必然趋势,21世纪人们必将在跨学科、跨领域的综合问题中寻求更多的机会.学科交叉是创新的源泉,将导致科学的重大突破、高新技术的产生.

从图1可见,无论是创造史的历程,还是从原子、分子、基因组、细胞、个体、群体、生态系统到生物圈的空间尺度的发展,都充分显示了不仅需要生物学各层次的交叉,还需要一级学科的相互渗透以及自然科学与人文科学的交叉和渗透.

图1 创造史、从原子到生物圈和大气层及其相关学科

下面举几个近代成功的学科交叉研究导致科学突破性进展的例证.

1 由美国生物学家沃森(Watson)和英国物理学家克里克(Crick)合作建立的DNA双螺旋结构的分子模型是当代学科交叉的结晶

DNA双螺旋结构分子模型的建立是20世纪生命科学发展的里程碑,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.但这项成果是如何产生的?当时科学发展的时代背景是什么?这项重大生命科学成果为什么会产生在剑桥大学的一个物理实验室——卡文迪什(Cavendish Lab.)?生物学家Watson与物理学家Crick是如何结合的?

当时的时代背景表明,这项成果在二战之后会产生在一个物理实验室并不是偶然的.在二战时,Cavendish Lab.主要从事原子物理、核物理的基础研究及军事研究.二战后,基于安全考量,英国专门成立了国家实验室,从事核物理及军事方面的研究.此时,Cavendish Lab.失去了经费和研究方向.研究室的领导有高度的战略思想和宏观调控能力,做了科研方向的战略转移,开展了两个新兴学科方向的研究:射电天文学,收集军队废弃的雷达组成原始的射电望远镜开展研究;生物大分子结构,利用原实验室发展起来的X光晶体分析技术来研究生物大分子蛋白质的分子结构.在艰苦条件下,Cavendish Lab.获得了一大批原始创新成果,如发现了群星体、脉冲星、DNA双螺旋结构等,造就了一大批诺贝尔奖获得者.

对DNA的激情和狂热追求使Watson和Crick紧密地结合起来.二人年龄相差8岁,都因为受到奥地利理论物理学家Schrodinger E的著作《生命是什么?》的影响而立志要探索生命的奥秘,并都为此目标几经曲折才先后来到卡文迪什实验室.其中Crick已过而立之年,不惜两次放弃已经到手的工作良机,在Bragg L指导下研究蛋白质X-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. Watson大学时就喜欢基因课程,1950年22岁时获博士学位并赴丹麦做博士后.一次偶然的机会,他听了英国伦敦King's College的物理学家Wilkins M关于DNA的X-射线晶体学的报告而受到吸引,曾千方百计想投奔Wilkins,但均遭冷遇.Watson不得已辗转来到卡文迪什做博士后,从事蛋白质的X-射线晶体研究,目的只是为了有朝一日能运用学到的X-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,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Pauling L有关蛋白质多肽链α-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DNA X-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.他们一共构建过三个模型: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,直到实现他们的目标.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?

1951年秋,真正有实力问鼎DNA分子结构者首推伦敦大学King's College的物理学家Wilkins M和化学家Franklin R.当时最好的DNA X-射线衍射照片都出自他们.Wilkins和Franklin为什么未成为此一结构的最先构建者呢?据说根本的原因在于他们坚信X-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Pauling L.他于1939年首创化学键理论,成功构建了多肽的α-螺旋的分子结构模型,奠定了获得1954年诺贝尔奖化学奖的基础.这就启发了Waston和Crick:必须建立DNA的分子结构模型.Pauling曾提出DNA三螺旋分子模型,但该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,因此失败了.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,他们成功了,其中的奥秘何在呢?第一是二人对DNA的共同兴趣,执着的追求、信念和激情;第二是深层次的学科交叉,有机结合和优势互补.

Watson生物学方面的贡献:当时在国际上针对遗传物质是蛋白质还是DNA存在很大的争论.因为蛋白质由20多个氨基酸组成,不同排列形成成千上万个不同的蛋白质,因此能够贮存大量的遗传密码;而DNA只由4个碱基组成,受“4个核苷酸固定排列假说”的影响,DNA被认为不可能贮存丰富的遗传密码.Watson确信DNA是遗传物质,而非蛋白.这是由于在1951-1952年,美国冷泉港微生物遗传学家Hershey A和Chase M用35S标记噬菌体的蛋白质外壳并用32P标记噬菌体内的DNA后,再去感染细菌.结果发现只有带32P的DNA进入细菌体内,而含35S的蛋白质外壳则留在了细菌体外,这一信息直接寄给了Watson,使他们更加确信遗传物质是DNA而非蛋白质.生化学家提出的“Chargaff比率”,即任何DNA样品中4种碱基的克分子数总是A T、G C或A:T G:C 1,启发Watson和Crick最终解决了DNA双链碱基配对连结的问题,同时也为破解DNA自我复制之谜做出了贡献.

Crick的贡献:Crick大胆结合结构化学中的建模方法,极力主张建立DNA的分子模型,并找来Pauling所著《化学键的本质》一书进行认真学习.Crick还根据Wilkins与Franklin的DNA分子X-射线衍射的图片取得了建立分子模型的若干物理参数.

最后Watson和Crick从生物学和物理学角度,深层次交叉,成功建成了DNA双螺旋结构的分子模型.纵观DNA分子双螺旋结构模型的建立,充分体现了晶体学、结构化学、生物化学和遗传学等多学科的完美结合,也是历史机遇与个人追求结合产生的硕果.由于DNA双螺旋分子结构模型的建立,开辟了20世纪生命科学的新纪元;又由于计算机科学、信息科学和相关技术的发展,人类有能力破译本身的遗传密码,因此启动了人类基因组计划(图2).人类基因组计划,被公认为20世纪三大科学计划(曼哈顿计划、阿波罗登月计划及人类基因组计划)之一.

图2 人类基因组

2 挑战21世纪生命科学“通天塔”是多学科学者智慧的结晶

人类基因组破译后,一部由30亿个碱基对写成的“天书”以及各种植物、动物、微生物基因组的破译和各种组学的产生,使人们感到局势逆转了.现在的问题是,关于生命现象的分子层次的信息太多了,生物学有被海量信息淹没之虞,亟需寻找一个新的工作框架,把描述性生物学积累起来的大量事实、海量数据组织起来,由此定量生物学应运而生.加入这个队伍的不仅有生物学家、化学家、物理学家、数学家和工程师,甚至医生和企业家也被逐渐卷入.这支具有不同学科背景的研究大军挑战的是生命科学的“通天塔”.

3 紫色光合细菌光合作用反应中心三维结构的解析是当代学科交叉的结晶

国际多学科交叉的优秀范例,是三位德国科学家Deisenhofer J,M ichel M和Huber R成功地阐明了紫色光合细菌反应中心的三维空间结构(图3),获得了1988年诺贝尔化学奖.

图3 紫色光合细菌反应中心膜蛋白的空间结构解析图

4 高等植物主要捕光色素蛋白LHCⅡ空间结构的解析,是多学科通力合作的结晶

在我国,由中国科学院生物物理所常文瑞领导的研究小组和植物所匡廷云领导的研究小组合作,通过生物化学、结晶学和物理学的交叉、有机结合的研究,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的空间结构,如图4所示.国际同行认为,这是当代光合作用领域的重大突破.

5 合成生物学是多学科和多项现代技术交叉融合的结晶

一般认为,合成生物学是分子生物学、基因组学、信息和工程技术交叉融合而产生的一系列新工具和手段.“合成生物学旨在设计和构建生物部件、装置系统,并重新设计现有的天然生物系统.”合成生物学的三大支撑技术是计算机建模技术、DNA测序技术和DNA合成技术,其发展需要以强大的技术研究实力为依托.许多发达国家都看好合成生物学,纷纷利用已有的知识和技术储备部署力量,力争尽快抢占制高点,以便在下一轮产业竞争如生物物质合成的分子设计、能源植物的改造、能源和医药化工产品的高效生物合成等中获得优势.

最后可从诺贝尔生理学或医学奖来看学科交叉在研究工作中的意义.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%.这反映出了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.

图4 菠菜主要捕光复合物LHC-II的晶体结构

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