从成熟和极致到跨越和交叉

施郁

考察2022年三项诺贝尔科学奖的获奖成就，我发现有一个共同特点，那就是，对于自然界某个层次的研究做到成熟和极致，导致向另一层次的跨越和交叉。这体现了科学的还原论和层展论的统一，是交叉学科形成的一个机制，说明当代自然科学发展良好，孕育着更大的突破。

物理学奖授予阿斯佩（Alain Aspect）、 克劳泽（John F. Clauser）和蔡林格（Anton Zeilinger）。他们的纠缠光子实验证明了大自然违反贝尔不等式，并使量子纠缠成为有力工具，为量子信息科学和量子科技新时代打下基础。

1969年，为了适应实际的实验，克劳泽与三位合作者推广了贝尔不等式，叫作CHSH不等式。1972年，他和另一位合作者做了个实验，证明确实违反CHSH不等式。但这个实验中存在一些漏洞。1982年，阿斯佩与合作者的实验中，一对纠缠光子离开源后，一对仪器的测量方式各自随机变化，以排除隐藏关联的可能性。但是这两个仪器的距离不够大。1997年，蔡林格研究组的实验中，两个纠缠粒子的测量仪器相距400米，补上了局域性漏洞。后来，蔡林格研究组还用纠缠光子实现了量子隐形传态和纠缠交换等量子信息过程。

量子纠缠已经成为很多量子信息过程的基础。对量子纠缠的确立，使它得以从物理的层次跨越到信息的层次，开辟了量子信息科学这一交叉学科。

化学奖授予贝尔托西（Carolyn R. Bertozzi）、夏普利斯（Barry Sharpless）和梅尔达尔（Morten Meldal）。夏普利斯和梅尔达尔为咔哒化学（即所谓“点击化学”）打下基础，将化学带入功能主义时代。贝尔托西将咔哒化学应用到生物体，绘制聚糖分子的图谱，开创了生物正交化学。生物正交反应不干扰细胞的正常化学反应，所以被广泛用于研究细胞里的化学过程，以及改进癌症药物的靶向性。

夏普利斯2000年左右提出咔哒化学的概念，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备的效率和规模。他用具有碳框架的小分子，通过氮原子或氧原子链接起来。此后不久，梅尔达尔和夏普利斯各自独立地发现铜离子催化的叠氮化物-炔烃环加成反应。炔烃与叠氮化物反应，生成三唑环状结构。叠氮化物就像一个弹簧，由铜离子放出力，过程很稳定。在两个分子上分别引入叠氮化物和炔，借助铜离子，就可以扣在一起。 这被称为理想咔哒反应，得到广泛应用，比如在制药中。贝尔托西将此反应用于活细胞。通过迫使炔烃形成环状结构，应变导致反应，扣住叠氮化物，而不需铜离子（有毒）。荧光分子附在叠氮化物上，显示聚糖在细胞表面的位置。

咔哒化学和化学功能主义，正如工程中广泛存在的模块化，大大提高效率，实现了层次的跨越。

生理学或医学奖授予帕博（Svante Pääbo），奖励他关于灭绝的古人类的基因组以及人类演化的发现。他开创了古基因组学，对已经灭绝的尼安德特人的基因组进行了测序，还发现了另一种已经灭绝的古人类丹尼索瓦人，而且人类7万年前走出非洲后，从这两种古人类都得到过基因，这影响了我们的免疫系统对感染的应答。 他通过比较智人与其他已经灭绝的古人类的基因，揭示我们之所以为人的基础。

他的成功建立在做到精致的遗传学技术基础上，克服了巨大困难。比如古DNA的量非常小，还被细菌和当代人污染。他分析了尼安德特人的线粒体DNA（只有一小部分遗传信息，但是有数千个复本）。他和同事又改进从古骨遗骸中分离和分析DNA的方法，还采用新的测序技术，并结合种群遗传学和高级序列分析的方法。这些技术促使他的团队完成尼安德特人的基因组测序，发现智人与丹尼索瓦人和尼安德特人的相遇和杂交。

正是遗传学的成熟和技术精致，使得遗传学跨越学科层次，成为人类学的工具。