韓啟德：漫談學科交叉

撰寫 | 北京大學科學技術與醫學史系 韓啟德

科學源於不分科，分科後的學科交叉催生了累累碩果，對提高原始創新能力起到積極作用。學科交叉不僅僅是當今時代科技創新的源泉，其實歷來如此，它是科學的題中應有之義。

科學細分學科實為晚近之事

《自然哲學的數學原理》

《物種起源》

科學起源於古希臘時期，那時雖然也分所謂的「四藝」（算術、幾何、天文學、音樂），及至中世紀時歐洲博雅教育中的「七藝」（再加文法、邏輯、修辭），這些完全不是科學意義上的分科。一直到近代科學革命後的相當長時期內，科學仍是不分科的。儘管後來逐漸產生了很少數的領域很寬、界限模糊的學科，但人們還是常常把自然科學僅分成自然哲學和博物學兩大類。牛頓最重要的著作《自然哲學的數學原理》，從現在看來基本都是物理學或者力學的內容，但17世紀時還只是歸於自然哲學。達爾文在1859年出版的《物種起源》，當時雖然已有生物學乃至更細的分科，但仍被歸入博物學的著作。

直到19世紀，科學分支和分科才越來越多，同時Science這個英文詞才被廣泛使用。19世紀60年代，日本明治維新在引進歐洲科學時，由於那時歐洲的Science已經形成分科的局面，日本人依照自己的理解把Science譯成了日文的「科學」兩字。後來中國從日文直接引進，也使用了「科學」來表示Science。

「科學」這個名詞，使得我們更容易以為科學就是分科之學，然而分科卻遠遠不是科學真正的內涵。即使在19世紀科學分科格局基本形成以後，學科的邊界也總是模糊的、不確定的。不同學科之間總是在交叉、融合中改變自己的研究內容和方法，或者形成新的學科。

下面我以生物學為例來說明這一點。生物學這個名詞是在19世紀開端時才產生的，當時主要包含已有的動物學、植物學、生理學、地質學與古生物學，來研究所有生物的結構、功能和相互關係，從研究內容和方法來看，除生理學之外，仍屬於博物學的範疇。在1859年達爾文的《物種起源》出版後，贊成與反對達爾文思想的兩方面觀點激烈爭論，使得生物進化問題很快成為科學界集中研究的焦點。人們注意到胚胎的發育過程在相當程度上重複物種演化過程，從而促進了胚胎學（系統發育學）的形成和發展。但進化的關鍵，不僅僅在於變異如何產生，更關鍵的在於變異能不能遺傳以及如何通過遺傳保留變異，由此又促進了遺傳學的形成與快速發展。而在遺傳學種群的研究中，又牽涉到了大量數據的分析處理（例如孟德爾豌豆試驗中需要處理2.8萬株植物、4萬朵花以及40萬顆種子的數據；摩爾根要統計上千種突變體和數以萬計的果蠅的數據），因此生物統計學又應運而生。

上述多學科經過近40年的發展和聚焦性研究，達爾文的進化思想已經在科學界取得了幾乎一致的認同，人們對遺傳規律也有了較前更為深入的了解。但是遺傳物質基礎這個長期的瓶頸問題仍然沒有得到破解。

生物學界的年輕一代不滿足前輩們基於形態、觀察、描述和歸納的研究模式。從20世紀開始，他們把物質科學基於實驗的研究模式引入生物學，建立起了生物化學、生物物理學、細胞生物學。同時胚胎學的重點轉移到實驗胚胎學，遺傳學的重點轉移到分子遺傳學。1953年DNA雙螺旋結構破解後分子生物學興起，學科結構和邊界再一次迅速變動，形成以基因研究為主導、分子生物學研究為中心的生命科學學科結構。有趣的是，最終解開遺傳物質DNA結構奧秘的人，除了沃森，其他都不是生物學家，而是物理學家和化學家。

回望近兩個世紀以來生物學的發展歷程，可以看到在生物學範圍內的學科之間，從來就沒有固定的界限，它們總是處於不斷的流動之中，在相互交叉與融合過程中發展，而重大顛覆性創新多數發生在不同學科的交界處。學科發展的總體趨勢是從博物學方法到實驗方法，從形態到功能，從整體到分子；學科不斷細分，而同時又保持著從分到合、從還原到綜合的一定張力。近年來熱門的大數據研究、真實世界研究、虛擬真實性、冷凍顯微電鏡技術的發展就是明證。

學科交叉是科學發展的必然，

也是顛覆性創新的重要途徑

化學推動病原微生物學和藥學發展

18世紀蒸汽機的發明和應用引發了英國工業革命，煤炭和煤氣的使用產生了大量的汙染廢物——煤焦油，如何處理煤焦油則成為一大難題。需求推動了創新，化學家從煤焦油中提煉出藍色的苯胺以及各種顏色的苯環芳香族衍生化合物。在此基礎上，19世紀德國染料工業技術興起，發明出更多的染料。隨之，細菌學家們發現有的染料可以選擇性地使某些細菌染上顏色，甚至讓細菌的細胞核與細胞質染上不同的顏色，這樣便容易發現病原細菌，並直觀地看清細菌的結構。在此基礎上，法國的巴斯德、德國的科赫相繼在病原微生物學上取得劃時代成就。例如巴斯德揭示了發酵原理，發明了狂犬病與雞霍亂疫苗；科赫分離出結核與傷寒桿菌，發現炭疽桿菌與霍亂弧菌，定義了判斷病原微生物的四大原則，等等。後來，科學家發現如果在特異作用於病原菌的染料上連接毒性化合物，能殺滅病原菌而不損害人體。利用這個原理，1910年埃爾利希發明「撒爾佛散」（Salvarsan，又稱606）成功治療梅毒，成為人類首創的化學合成藥物。

化學促成藥物發展的另外一個例子是阿司匹林的發明。18世紀中葉英國的愛德華·斯通，看到沼澤地區多發瘧疾發熱病人，而沼澤地區總是柳樹叢生，由此他聯想到柳樹皮是否能退熱？後來經過試驗，果然發現柳樹皮乾粉能使一些發熱病人退熱。隨後也是由於化學的進步，到1828年後的十年間，德國、義大利和法國化學家先後從柳樹皮當中分離出具有退熱作用的水楊苷和水楊酸。1853年，德國化學家科爾貝從煤焦油中提煉出水楊酸，並於1874年實現產業化生產。但由於水楊酸對胃腸道的腐蝕性太強，會產生胃腸道出血、腹瀉等嚴重副作用，從而妨礙了其臨床應用。最終在1897年，德國的拜耳公司由水楊酸得到了其衍生物乙醯水楊酸，即阿司匹林。由於阿司匹林不僅有確切有效的解熱鎮痛的作用而且對胃腸道的副作用大大減弱，並且後來發現它還具有抗凝血與對心臟的保護作用，至今阿司匹林仍為臨床應用最廣泛、療效最確切的化學合成藥物。

這樣的例子還有很多，如果沒有化學的發展和化學家的努力，就不可能有現代藥物學的發展。

物理學推動臨床影像診斷的發展

1895年物理學家倫琴發現X射線，並於第二年將其應用到醫學影像。倫琴拍攝的第一張X射線影像照片便是他夫人的手掌，他利用不同組織X射線的穿透力不同，在膠片上產生影像。其後X射線在醫學影像上的應用越來越廣泛，又與計算機技術相結合研發出CT。CT可以把人體的內臟結構更加清晰、直觀地體現出來，大大推動了醫學影像的發展。發明與推廣應用這項技術的物理學家和電機工程師在1979年獲得諾貝爾醫學或生理學獎。

科學家們還發現，可以將能發射正電子的化合物（如碳14標記的葡萄糖分子上）通過靜脈注射到達人體各個組織，血液循環最多的部位與代謝率最旺盛的地方帶有正電子的化合物葡萄糖就越多，發射的正電子就越多，利用這個原理成像的技術即正電子發射計算機體層顯像（positron emission computed tomography，PET）。PET的敏感度很高，尤其有利於發現惡性腫瘤。例如一個病人的PET檢查發現恥骨附近有一個高強度的亮點，但無法明確它位於哪個器官。將PET與CT進行結合，就可以確定這是前列腺的一個直徑不到1cm的癌症。

此外，核磁共振成像（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）的發明也與物理學家的努力密不可分。它的原理簡單來說是被檢查的組織細胞內的氫原子核在強大的磁場作用下發生共振，通過記錄共振時所產生的波譜並經過計算機對數據重建，得到非常準確的、立體的人體臟器組織和病灶的影像。核磁共振成像技術發展很快，現在已經發展到四維成像，即隨時間動態顯示圖像，比如心臟動態核磁共振檢查不僅可以清晰顯示心室、心房、瓣膜和冠狀動脈的結構，而且能顯示心臟搏動時的動態圖像，甚至可以結合人工智慧技術來評判冠狀動脈血流狀況。發明NMRI這項技術的物理學家在2003年獲得了諾貝爾醫學或生理學獎。

內鏡的應用也對醫學影像起到了重大推動作用。有這樣一個學科交叉研究的例子，我認識一位清華大學精密儀器系畢業的學生，他去日本學習，後來到世界光學技術龍頭企業奧林巴斯工作，並做到該公司醫學內鏡方面的技術主管。他決定回國發展時，所有在日本開展過的研究都不允許在中國開展。我問他：「那你怎麼辦呢？」他說：「沒問題，我做在日本沒做過的研究。」後來，他自主研發了內窺鏡的分光成像技術。原先的胃鏡成像發射單色光，而他研製的胃鏡發出綠光和藍光兩種波長的光，胃表面黏膜對綠光的吸收最好，而黏膜下的血管對藍光的吸收最好，這樣發現病灶的能力就得到明顯的提高。那麼，兩種光如何一起工作呢？我去參觀過他的工廠，其實原理非常簡單：導管尖端安置的兩個光源快速轉動，類似救護車上的轉燈，使被觀察部位幾乎同時受到兩種光譜的照射。他說：「這對我們工科的人來說很簡單」。後來他又採用雷射圖像傳輸和無線供電等技術，使胃鏡的功能不斷得到改進，目前產品已經暢銷國內外。

總體來說，由於醫學影像的發展，醫生能夠直接透過體表看到身體內部，不僅對內臟結構了如指掌，更能直指病灶，進而大大推動了臨床外科的發展。可以說，20世紀醫學所取得的巨大飛躍在很大程度上應該歸功於醫學影像技術，但這個飛躍不是由生物學家或醫學家，而是由物理學家來推動的。

取得學科交叉成功的要素

一、科研志向

一是有志於蓋新房，還是僅僅增磚添瓦？「蓋新房」就是去做從0到1的原始創新的研究，去爭取獲得基本概念或者重大技術方法的突破，開闢出一片新的研究領域；「增磚添瓦」就是在人家已經打好地基，大家正在蓋房時去增添一磚一瓦。增磚添瓦當然也需要，增添的磚瓦還有大小的區別。但只有當你有志於蓋新房時，才會大大增強學科交叉的動力。

二是自己創造方法，還是僅僅採用現成的方法？如果採用大家都在用的現成的實驗方法，要取得獨創性的研究成果非常不容易，因為一般來說你能想到的，別人也能想到，憑什麼你能做得比人家好呢？本領域的老大難問題往往是受制於方法上的限制，跨界從別的學科獲取研究方法和技術，就容易取得研究的突破。

三是精益求精，還是見異思遷？有人擔心自己去跨學科，結果別的學科沒學到，本學科也耽擱了。這是有可能的，這樣的擔心不無道理。我認為關鍵在於要打牢本學科的基礎，要在本學科的某個問題上鑽研得特別深，或者在本學科的某項技術或實驗方法上有「一招鮮」。這樣不僅「保了底」，而且有了跨學科「本」，別的學科研究者也會更願意與你合作。跨學科不是見異思遷，這山望著那山高，根本在於對自己從事的研究內容和所用方法精益求精，無論是本學科的還是所跨學科的。

最後，最重要的是把科學當作自身的追求，還是僅僅當作求名求利的敲門磚？這是決定一個人科研志向的根本因素，道理顯而易見，這確實是最重要的一條，當下很多人不敢去跨學科，或者邁開了一步卻走不下去，都是因為沒有解決這一條。

二、知識結構

我殷切希望現在年輕的一代一定要把數理化生的地基打好，所謂地基就是基本理論、基本知識、基本技術。比如說生物學，我們至少要對遺傳學，對基因知識和技術有比較深入的了解。地基的厚度決定將來交叉學科跨越的廣度和科研成就的高度。這裡我想特別強調一下學習科學史的重要性。從事科學研究，一定要了解科學是什麼？科學是如何一步一步發展到今天的？自己從事的專業，研究的領域乃至正在研究的課題是如何發展而來的？學習這些不僅可以加深我們對自己面對科學問題的理解，更重要的是能更加深入理解科學精神、思想和方法，提高自己的科學素養。

三、政策導向

1．國家在制定科技規劃和設置科研項目時，要充分考慮到學科交叉，加強鼓勵和引導。

2．完善學科交叉的同行評議：我們做了一些相關研究，提出在進行交叉學科同行評議時，要特別值得注意以下四個方面：（1）要注意評議專家的選擇。要選擇對學科交叉有興趣且有一定基礎的專家。（2）評議時要給予答辯和充分討論的機會。（3）對評議結果要設立申訴機制。（4）事先對評委進行培訓。在國家自然科學基金委員會、國家科技部等組織重大項目評議時，建議事先對評委就交叉學科如何評議進行培訓。

3．完善教師學術評價機制：對教師學術水平的評價不能僅僅依靠論文，乃至CNS等國際大刊的文章發表情況，而是從學科高度和是否具有原創性來進行評估，要給學科交叉研究成果更大權重。

4．完善研究生畢業論文與發表論文的要求：研究生的教育理念對學科交叉建設存在著巨大的影響。例如現在的研究生畢業，要求發表論文，頂尖的高校還要求發表比較好的論文。而交叉學科的學生本來就要花費更多的時間和精力來完成課題研究，發表論文更難。因此在制定研究生畢業論文與論文發表的要求方面，對學科交叉應有特殊的政策。

四、組織管理

1．重點高校和科研院所有必要建立專門的獨立的交叉科研機構並且給予重點扶持。北京大學建立和支持前沿交叉學科研究院的做法，值得推廣。

2．交叉科研機構一定要處理好虛體和實體的關係：全世界的交叉研究機構都存在這個問題，如果做成實體，往往面不夠廣；如果都是虛體，往往推不動發展。所以如何通過虛實結合，達到既有實體的推動力又能在面上拉動更多的人來進入學科交叉，是需要研究和實踐的一個重要問題。

3．交叉科研機構需要設置獨立的學術委員會和學位委員會。

4．要完善兼職教授、雙聘教授制度：既要落實他們的責任，又不能造成過度的負擔；既要有激勵機制，也要有規範和限制性的制度。

5．做好研究生的管理服務：交叉研究機構的研究生如何做好雙重管理？既要有統一管理，又不導致他們脫離所在學科的研究集體，還需要不斷探索。

6．建設與用好公用研究設備平臺：既要制定合理的制度和辦法，提供方便和服務，讓更多的人來用這些設備，又要維護好設備，保證可持續運轉；要防止平臺成為少數人專用的，又要不讓設備空轉。這些都需要在實踐中摸索經驗。

五、文化和土壤

1．培育追求真理、講求品味的氛圍：核心是提倡竺可楨先生所主張的從事科學要「只問是非，不計利害」。要講求優秀科學家的脾性和品味，包括好奇心、激情、專注、執著、誠實，遵守科研規範和道德。

2．推崇和而不同、兼容並包的氛圍：學科交叉要鼓勵打破常規，允許失敗。學科交叉成功的人，往往是特別聰明的人，他們可能在性格上乃至精神上有點特別，對他們要給予包容。美國的分子生物學奇才Kraig Venter，總是特立獨行，四面樹敵，他甚至說「我最引以為榮的成就當屬被商界與學術圈嫉恨」，像他那樣的人都能繼續獲得發揮才能的空間，這方面值得我們學習。這樣的天才應當得到包容。我們要鼓勵不同觀點同時存在，視不同意見為珍寶，各美其美，美人之美。我認同美國詩人華萊士·史蒂文斯所說：「不完善，才是我們的天堂」。

3．建立合作交流，平等互利的氛圍：科學史上可以舉出很多例子，在某個小型學術會議上，乃至是喝咖啡、閒聊散步時，科學家之間互相交流，突然得到啟發，產生靈感，從而做出重大的創新。現在我們的好多學術會議缺乏真正的學術交流，已經變了味，我們要讓它們回歸本源。我主張多一些有目的的學術訪問，以此加強交流。在科研合作中要相互謙讓，多做貢獻，少要所得，同時注意籤訂必要的合作協議，有時「醜話說在頭裡」「親兄弟明算帳」反而能避免不必要的矛盾，使合作關係更加和諧和長久。

4．傳播優秀經驗，創造輿論：辦好「學科交叉的魅力」名師系列講座，是為提倡學科交叉製造輿論的一種努力。希望大家齊心協力，把系列講座的節目做好，推廣好，擴大影響，同時反過來促進講座得到良性發展。

志謝本文整理自北京大學科學技術與醫學史系官方微信，感謝北京大學科學技術與醫學史系大力支持

編輯：韓靜

排版：鄭夢瑩

《中華醫學信息導報》2020年18期第4-5版