交叉學(xué)科與諾貝爾獎

郭興

1993年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主之一、英國科學(xué)家理查德·約翰·羅伯茨在2015年4月2日的《美國公共科學(xué)圖書館·計(jì)算生物學(xué)》發(fā)表文章稱，獲得諾貝爾獎有10個簡單原則。其中一個原則是，學(xué)生物。因?yàn)椋c生物學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎有兩種，即諾貝爾化學(xué)獎和諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，諾貝爾化學(xué)獎的一半都發(fā)給了生物學(xué)家，這樣，就會提高50%的獲獎概率。

2016年化學(xué)獎的回歸

縱觀諾貝爾化學(xué)獎的歷史，羅伯茨的話有其合理性。在諾貝爾化學(xué)獎116年的歷史長河中，共有174位獲獎?wù)撸渲醒芯砍晒婕吧?、生命與化學(xué)（統(tǒng)稱生物化學(xué)）的幾近一半。在20世紀(jì)，英國科學(xué)家弗雷德里克·桑格分別在1958年和1980年兩次獲獎，成果均為生物化學(xué)的內(nèi)容。

到了21世紀(jì)，除2016年的化學(xué)獎外，已頒發(fā)的15次化學(xué)獎中，與生物相關(guān)（生物化學(xué)）內(nèi)容更是高達(dá)10次，占2/3，以致化學(xué)專業(yè)的研究人員感到了不安和憤憤不平，聲稱干脆把化學(xué)合并到生物學(xué)里算了，因?yàn)榧兇獾膫鹘y(tǒng)四大化學(xué)——無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)研究內(nèi)容獲獎加起來還不如生物化學(xué)一個學(xué)科的內(nèi)容獲獎的多。

不過，2016年的化學(xué)獎似乎照顧到了化學(xué)領(lǐng)域研究人員的不安情緒，化學(xué)獎回歸到純化學(xué)的內(nèi)容。2016年諾貝爾化學(xué)獎授予法國的讓-皮埃爾·索瓦日、英國的弗雷澤·斯托達(dá)特爵士和荷蘭的伯納德·費(fèi)林加，以表彰他們在“分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與合成”方面的成就。

這三位科學(xué)家的成果實(shí)際上就是設(shè)計(jì)和合成了分子機(jī)器。按時間順序，1983年，索瓦日成功地將兩個環(huán)形分子連接起來，形成一根鏈，命名為索烴，這是兩個相互扣合的環(huán)形分子，從而啟動了分子機(jī)器研發(fā)的第一步。

1991年，斯托達(dá)特研究出輪烷，并將這個環(huán)形分子套在一個線性分子上，該環(huán)形分子能夠以線性分子為軸移動，從而完成分子機(jī)器研發(fā)的第二步。此后，他以輪烷為研究基礎(chǔ)，研發(fā)出分子起重機(jī)、分子肌肉和分子計(jì)算芯片。

1999年，費(fèi)林加研究出分子旋轉(zhuǎn)葉片，能同向持續(xù)旋轉(zhuǎn)，成為研制出分子馬達(dá)的第一人。利用分子馬達(dá)，費(fèi)林加讓一個28微米長的玻璃杯（比馬達(dá)大1萬倍）成功旋轉(zhuǎn)。此外，他還設(shè)計(jì)出一輛納米汽車。至此，分子機(jī)器研發(fā)初步成功。

盡管在化學(xué)專業(yè)的研究人員看來，分子機(jī)器這一科學(xué)成果獲得諾貝爾化學(xué)獎是化學(xué)姓“化”——回歸純化學(xué)的標(biāo)志，但是，仔細(xì)看來，這個萌態(tài)十足的分子機(jī)器并非完全姓“化”，而是也可以姓“物”，或姓“化”與“物”的雙姓，因?yàn)樗⒎鞘羌兓瘜W(xué)的血統(tǒng)，而是化學(xué)與物理學(xué)雜交的“后代”。

追根溯源，生物化學(xué)也是從傳統(tǒng)的純化學(xué)演化而來，因?yàn)樵缙诘纳锘瘜W(xué)主要作為有機(jī)化學(xué)的衍生學(xué)科，諾貝爾化學(xué)獎獎勵的內(nèi)容基本都是生物大分子或生物小分子的鑒定及功能研究，如生物堿、維生素等。

2016年的諾貝爾化學(xué)獎其實(shí)也涉及了多學(xué)科的內(nèi)容，并非純化學(xué)血統(tǒng)，尤其是涉及物體的運(yùn)動，因?yàn)闊o論是分子肌肉還是分子電梯，或分子馬達(dá)，都需要它們能夠運(yùn)動做功，以達(dá)到幫人干活的目的。分子的運(yùn)動也像物體的運(yùn)動一樣，既涉及運(yùn)動物理，也涉及生物物理和材料物理。

同時，分子機(jī)器的發(fā)明也起源于物理學(xué)的設(shè)想。1965年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·菲利普斯·費(fèi)曼早在1959年就在美國物理學(xué)會年會上提出，可以制造原子機(jī)器和分子汽車，后來他也對一個微型分子齒輪裝置進(jìn)行了討論。這些概念成為后來研究人員研發(fā)分子機(jī)器的靈感源泉。

即便以純化學(xué)而言，分子機(jī)器也涉及并形成一個很大的領(lǐng)域，包括有機(jī)合成（化學(xué)）、（有機(jī)）超分子化學(xué)、分析化學(xué)等學(xué)科。因此，分子機(jī)器還算不上純化學(xué)血統(tǒng)，而是有多學(xué)科雜交血緣關(guān)系。

醫(yī)學(xué)與物理學(xué)和化學(xué)的結(jié)合

生物醫(yī)學(xué)與化學(xué)結(jié)合的研究成果可以獲得諾貝爾獎，生物醫(yī)學(xué)與物理學(xué)結(jié)合的研究成果同樣也可以獲得諾貝爾獎，而且物理學(xué)與化學(xué)結(jié)合的研究成果也可能獲得諾貝爾獎。因此，交叉學(xué)科成果獲得諾貝爾獎的概率最高。

1979年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予計(jì)算機(jī)X射線斷層照相術(shù)（CT）的首創(chuàng)者科爾麥克和洪斯費(fèi)爾德二人。這顯然是物理學(xué)的成果應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的結(jié)果。

不過，另一項(xiàng)物理學(xué)成果應(yīng)用于醫(yī)學(xué)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎更能體現(xiàn)物理與醫(yī)學(xué)的結(jié)合，這就是2003年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，該獎項(xiàng)授予美國的保羅·C.勞特伯和英國的皮特·曼斯菲爾德，因?yàn)樗麄儼l(fā)明了磁共振成像技術(shù)（MRI），而這已經(jīng)是很早以前的發(fā)明了。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明使得人類再也不必在黑暗中摸索，能夠看清自己和生物體內(nèi)的器官，從而有利于診斷和治療疾病。

磁共振成像技術(shù)既是物理學(xué)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合，也是交叉學(xué)科能產(chǎn)生豐富成果的有力證明。能精確觀察人體內(nèi)部器官而又不造成傷害的影像對于醫(yī)療診斷、治療和治療后的隨訪至關(guān)重要。磁共振成像技術(shù)是一種創(chuàng)新，這一發(fā)現(xiàn)能讓醫(yī)生看清體內(nèi)不同組織結(jié)構(gòu)，而且這樣的發(fā)現(xiàn)發(fā)展了當(dāng)代磁共振成像技術(shù)，因此MRI代表著醫(yī)療診斷和研究的革命性突破。

在磁共振成像發(fā)明之前，對于磁場的研究早就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。磁場和無線電波頻率之間的簡單關(guān)系控制著共振現(xiàn)象，對于帶有不配對的質(zhì)子和（或）中子的每種原子核，存在一種數(shù)學(xué)上的常數(shù)。這就有可能確定磁場的波長，以作為磁場強(qiáng)度的函數(shù)。早在1946年，美國的費(fèi)利克斯·布洛克和愛德華·米爾斯·珀塞爾對質(zhì)子（所有原子的最小物質(zhì)）研究時就證明了上述現(xiàn)象。為此他們共同獲得1952年的諾貝爾物理學(xué)獎。

磁共振成像技術(shù)的原理在于，一個強(qiáng)磁場中的原子核會以一定的頻率轉(zhuǎn)動，而這個頻率則取決于該磁場的強(qiáng)度。如果該磁場吸收了相同頻率的無線電波，它們的能量就會大大增強(qiáng)。當(dāng)原子核返回到以前的能量水平時，無線電波就會發(fā)射出來。