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韩启德:在学科交叉中实现颠覆性创新

2020-05-16 02:12:07 来源:健康报

韩启德:中国科学院院士,病理生理学家、博士研究生导师,中国科学技术协会名誉主席、北京大学前沿交叉学科研究院院长、北京大学科学技术与医学史系主任。


“不同学科之间总是在交叉、融合中改变自己的研究内容和方法。”图为科研人员在青蒿基因库进行研究。中新社供图

  学科交叉,已悄然成为科技创新的一个主要源泉,也成为这个科学时代不可替代的研究范式。5月10日,中国科学院院士韩启德在北京大学前沿交叉学科研究院举办的“学科交叉的魅力”名师系列讲座中进行了主题讲授。他结合医学发展的历史以及自己的亲身经历,充分阐述了推动学科交叉研究的巨大价值,并在此基础上,对开展学科交叉研究的组织管理以及改革高等教育等提出了切实中肯的建议。——编者

  1 分科远远不是科学真正的内涵

  科学细分学科实为晚近之事。科学起源于古希腊时期,一直到近代科学革命后的相当长时期内,科学仍是不分科的。尽管后来逐渐产生了很少数的领域很宽、界限模糊的学科,但人们还是常常把自然科学仅分成自然哲学(Natural Philosophy)和博物学(Natural History)两大类。牛顿最重要的著作《自然哲学的数学原理》,从现在看来基本都是物理学或者力学的内容,但17世纪时还只是归于自然哲学。

  直到19世纪,科学分支和分科才越来越多。“科学”这个名词,使得我们更容易以为科学就是分科之学,然而分科却远远不是科学真正的内涵,学科的边界也总是模糊、不确定的。不同学科之间总是在交叉、融合中改变自己的研究内容和方法,或者形成新的学科。

  生物学(Biology)这个名词是在19世纪开端时才产生的,当时主要包含已有的动物学、植物学、生理学、地质学与古生物学,来研究所有生物的结构、功能和相互关系,从研究内容和方法来看,除生理学之外,仍属于博物学的范畴。

  在1859年达尔文的《物种起源》发表后,赞成与反对达尔文思想的两方面观点激烈争论,使得生物进化问题很快成为科学界集中研究的焦点。人们注意到,胚胎的发育过程在相当程度上重复物种演化过程,从而促进了胚胎学(系统发育学)的形成和发展。但进化的关键,不仅仅在于变异如何产生,更关键的在于变异能不能遗传以及如何通过遗传保留变异,由此又促进了遗传学的形成与快速发展。而在遗传学种群的研究中,又牵涉到了大量数据的分析处理,因此生物统计学又应运而生。

  经过上述多学科近40年的发展和聚焦性研究,达尔文的进化思想已经在科学界取得了几乎一致的认同,人们对遗传规律也有了较前更为深入的了解。但是遗传物质基础这个长期的瓶颈问题仍然没有得到破解。

  从20世纪开始,生物学界的年轻一代把物质科学基于实验的研究模式引入生物学,建立起了生物化学、生物物理学、细胞生物学。同时,胚胎学的重点转移到了实验胚胎学,遗传学的重点转移到分子遗传学。1953年, DNA双螺旋结构破解后分子生物学兴起,学科结构和边界再一次迅速变动,形成以基因研究为主导、分子生物学研究为中心的生命科学学科结构。有趣的是,最终解开遗传物质DNA结构奥秘的人,除了沃森,其他都不是生物学家,而是物理学家和化学家。

  2 医学取得的成就很大程度来源于交叉学科

  学科交叉是科学的题中应有之义,是科学发展的必然,同时也确确实实是颠覆性创新的重要途径。

  我本人学医,就从医学发展史的角度来举几个例子。

  1895年,物理学家伦琴发现X射线,并于第二年将其应用到医学影像。伦琴拍摄的第一张X射线影像照片便是他夫人的手掌,他利用不同组织X射线的穿透力不同,在胶片上产生影像。其后,X射线在医学影像上的应用越来越广泛,又与计算机技术相结合研发出电子计算机断层扫描摄像(Computed Tomography,CT)。CT可以把人体的内脏结构更加清晰、直观地体现出来,大大推动了医学影像的发展。发明与推广应用这项技术的物理学家和电机工程师在1979年获得诺贝尔医学或生理学奖。

  科学家们还发现,可以将能发射正电子的化合物(如碳14标记的葡萄糖分子上)通过静脉注射到达人体各个组织,血液循环最多的部位与代谢率最旺盛的地方带有正电子的化合物葡萄糖就越多,发射的正电子就越多,利用这个原理成像的技术就是正电子发射型计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography,PET)。PET的敏感度很高,尤其有利于发现恶性肿瘤。例如一个病人的PET检查发现耻骨附近有一个高强度的亮点,但无法明确它位于哪个器官。将PET与CT进行结合,就可以确定这是前列腺的一个直径不到1厘米的癌症。

  内窥镜的应用也对医学影像起到了重大推动作用,如今已可应用到人体几乎所有部位。

  这里我给大家讲一个学科交叉研究的例子。我认识一位清华大学精密仪器系毕业的学生,他自主研发了内窥镜的分光成像技术。原先的胃镜成像发射单色光,而他研制的胃镜发出绿光和蓝光两种波长的光,胃表面黏膜对绿光的吸收最好,而黏膜下的血管对蓝光的吸收最好,这样发现病灶的能力就得到明显的提高。那么,两种光如何一起工作呢?我去参观过他的工厂,其实原理非常简单:导管尖端安置的两个光源快速转动,类似救护车上的转灯,使被观察部位几乎同时受到两种光谱的照射。后来他又采用激光图像传输图像和无线供电等技术,使胃镜的功能不断得到改进,目前产品已经畅销国内外。

  可以说,20世纪医学所取得的巨大飞跃在很大程度上应该归功于医学成像,但这个飞跃不是由生物学家或医学家,而是由物理学家来推动的。

  3 我对学科交叉的亲身体验

  1962年,我考取上海第一医学院(现为复旦大学上海医学院)医学系,开始了我的医学生涯。1968年我毕业后分配到陕西省临潼县的一个农村公社卫生院当临床医生。卫生所只有我一个医学院校毕业生,我得接诊内科、外科、妇科、儿科、五官科等所有的病人,还要面对许多千奇百怪的疑难杂症。有不少农民习惯于中医诊治,我就学习中医中药与针灸。比如说农民因发烧就诊时,需要医生能尽快退烧,但有好多病人退烧以后几个星期、几个月还是不断出汗。对此西医无计可施,后来我采用中医治疗,效果相当好。还有一些年轻人长期严重遗精,对此西医也没有好的诊疗方法,但我采用中医治疗也取得了效果。

  改革开放让我获得了攻读研究生的机会,我慕名成为了西安医学院卢兴教授的研究生。我研究的课题是“大鼠心肌梗塞面积和心功能的关系和影响因素”。那时遇到的一个最棘手的问题是,测到的心室压力如何才能反映心脏的功能?要知道评估心功能的强弱并不在于心室内压力的大小,而在于压力变化的速度,这里就牵涉到数学微分算法。为此我认真学习了数学中的相关内容,后来我们建立的一套心功能测定方法,还推广到全国。

  我的研究需要测定心肌梗塞范围,当时还没有现成的方法。我将大鼠的心脏组织做成切片,在组织显微镜下能区分出正常和梗死的心肌组织,但如何测定梗死面积呢?后来我们找到地质研究所,向他们讨教地图面积的测定方法并成功应用到心肌梗塞面积的测定上。由此,我从一个临床的全科医生转换成了一个研究冠心病和心脏病的发生机制和影响因素的基础科学研究者。

  1985年我有幸赴美国埃默里大学做访问学者,并以此为契机从病理生理学转换到分子药理学的研究。我刚到那里的时候,他们正在研究一个新发现的36肽Neuropeptide Y(NPY)对冠状动脉的作用,已经研究了几个月,但没有取得进展。我提议将实验对象从狗换成兔,因为我在做研究生的时候,和解剖学的研究生一起做过人、狗、兔子和大鼠冠状动脉的比较解剖学研究。得益于解剖学的交叉背景,将实验对象换成兔后,果然发现NPY对冠状动脉具有很强的收缩作用,并能增强其他缩血管物质的效应。接下来,我又证明NPY对大鼠脑血管具有同样的效应。联想到临床上有的脑溢血病人在抢救成功,症状显著好转后一周时,突发严重的脑血管痉挛死亡,我想到是否NPY会参与这个病理机制呢?后来我的研究证实了这个假设。我的临床医学背景、病理生理学背景在研究药理学的时候显示出了学科交叉的优越性。

  后来我又转到了另外一个研究分子药理学的实验室。非常有幸,在后来的肾上腺素受体研究中我得以采用生理学、药理学与生物化学结合的方法,在国际上首次证明α1肾上腺素受体包含不同亚型,相关结果发表在《Nature》杂志上,成为一个经典发现,受到广泛认同。

  在1987年回国后的7年内,我每年有3个月时间可以回到美国的实验室进行访问交流。我在北医建起了自己的实验室,把受体研究和心血管病理生理研究结合在一起,取得了一些国外同行无法得到的研究结果。随着研究的深入,我们开始探究肾上腺素受体的脱敏问题,跟北大化学系、电子学系、生命科学院及中科院的物理所合作,采用宽场成像方法,开展光学单粒子追踪实验,提出了受体内陷后用肌动蛋白作为马达沿着肌纤蛋白移动的假说。此外,我们还进行了其他的一些跨学科研究,比如通过蛋白组学的方法探究心肌重塑、心肌肥大时心肌受体信号转导分子的相互作用网络等。

  2003年~2018年,我相继担任九三学社中央主席、全国人大常委会副委员长、全国政协副主席、中国科协主席、欧美同学会长等职位。虽然无法继续我的生物医学研究,但我还是力所能及地从其它角度开展学科交叉的探索。例如,2003年非典疫情暴发时,我受邀到中央电视台《百家讲坛》做讲座,回顾传染病的历史。为了这次讲座,我恶补医学史的相关知识,也在此过程中得到了启发,开启了医学史和医学人文的研究。我担任的各项职务多数都与科技工作有关,都需要为国家科技体制改革和科技管理建言献策,同时也获得了更多调研与学习的机会。在此过程中我深深体会到,我国科学技术的发展虽快,但科学文化还很落后,而这反过来在一定程度上又制约了科学技术的发展。

  2018年3月我从领导岗位退下来之后,积极推动北京大学和中国科协联合成立了科学文化研究院,又领导成立了北京大学科学技术与医学史系,着力结合科学与人文,结合科学史、科学哲学、社会学、传播学等各个学科,来共同研究科学发展的规律,研究如何推进科学文化建设,培育更好的科学技术发展的土壤。这些,其实是在更加广阔的范围内开展学科交叉研究。

  回顾自身经历,自己在学科交叉方面做了一些工作,但远远不够。归纳起来大概有几点原因:一是上世纪90年代刚开始做学科交叉研究时条件受限,缺乏经费与设备。二是自主创建实验方法做得不够。虽然应用了一些跨学科的方法,但基本是现成的方法,没有根据需要发展建立独创技术。三是自己数理化基础不够强,妨碍了做更大跨度的学科交叉研究。归根结底,还是因为自己搞科学研究的志向还不够高远,视野还不够宽广。

  4 取得学科交叉成功的要素

  科研志向

  盖新房还是增砖添瓦?“盖新房”就是去做从0到1的原始创新的研究,去争取基本概念或者重大技术方法的突破,开辟出一片新的研究领域;“增砖添瓦”就是在人家已经打好地基,大家正在盖房时去增添一砖一瓦。增砖添瓦当然也需要,增添的砖瓦还有大小的区别。但只有当你有志于盖新房时,才会大大增强学科交叉的动力。

  自己创造方法还是采用现成的?如果采用大家都在用的现成的实验方法,要取得独创性的研究成果非常不容易,因为一般来说你能想到的,别人也能想到,凭什么你能做得比人家好呢?本领域的老大难问题往往是受制于方法上的限制,跨界从别的学科获取研究方法和技术,就容易取得研究的突破。

  精益求精还是见异思迁?有的同学担心自己去跨学科,结果别的学科没学到本学科也耽搁了。这一担心不无道理。我认为关键在于要打牢本学科的基础,要在本学科的某个问题上钻研得特别深,或者在某项技术或实验方法上有“一招鲜”。这样不仅“保了底”,而且有了跨学科的“本”,别的学科研究者也会更愿意与你合作。跨学科不是这山望着那山高,根本在于对自己从事的研究内容和所用方法精益求精,无论是本学科的还是所跨学科的。

  把科学当作自身的追求还是仅仅当作求名求利的敲门砖?这是决定一个人科研志向的根本因素,是最重要的一条,当下很多人不敢去跨学科,或者迈开了一步却走不下去,都是因为没有解决这一条。

  知识结构

  我自己数理化生的基础不强,到需要做学科交叉研究时就感觉非常困难。我殷切希望现在年轻的一代一定要把数理化生的地基打好,所谓地基就是基本理论、基本知识、基本技术。比如说生物学,我们至少要对遗传学,对基因知识和技术有比较深入的了解。地基的厚度决定将来交叉学科跨越的广度和科研成就的高度。我现在对钱学森之问的体会越来越深,在应试教育下,中小学生课业负担越来越重,学的科学知识越来越多,但离科学精神、思想和方法越来越远,没有内化成自己的思想,不会应用。所以我们的教育必须要真正地改革了!当然我们大家不能只是等待改革的完成,现在的年轻人仍然是可以有所作为的。

  这里我想特别强调一下学习科学史的重要性。从事科学研究,一定要了解科学是什么?科学是如何一步一步发展到今天的?自己从事的专业,研究的领域乃至正在研究的课题是如何发展而来的?学习这些不仅可以加深我们对自己面对科学问题的理解,更重要的是能更加深入理解科学精神、思想和方法,提高自己的科学素养。

  最近我读了美国穆克吉医生写的《基因传》这本书,很有启发,全书做到了“内史”和“外史”的结合。自然科学背景的科学家书写的科学史,往往被称为“内史”,如爱因斯坦如何发现相对论,遗传学如何发展到人类基因组计划。历史学家书写的科学史往往被称为“外史”,比如科学家做出科学成果的时候受到什么样的背景推动。他们重视史料,也往往擅长写故事,但往往对科学理解不够深。

  我很佩服《基因转》的作者,他能将从摩尔根、孟德尔开始的近两个世纪遗传学发展的每一个环节,其生物学的原理说得清晰明了,又能与生动的人物故事以及社会背景巧妙地融合在一起。我认为没有同时具备文科和理科交叉的学术背景是完成不了这样的著作的。而现在的问题是,有自然科学背景的人去做科学史,缺乏史学的功底;而学历史出身的人来研究,有不少科学方面的知识也不容易补课。我们现在从高中开始就分文科、理科了,到大学专业分科更细,使得优秀科技史研究者很难产生。所以我认为教育一定要改革,科学史应该成为大学教育中的基础必修学科,这也是推动学科交叉的一个非常重要的基础性工作。

  政策导向

  1.国家在制定科技规划和设置科研项目时,要充分考虑到学科交叉,加强鼓励和引导。

  2.完善学科交叉的同行评议。同行评议现在存在很多问题,涉及交叉学科时问题更大。我们做了一些相关研究,提出在进行交叉学科同行评议时,要特别注意以下4方面:1)要注意评议专家的选择。要选择对学科交叉有兴趣且有一定基础的专家。2)评议时要给予答辩和充分讨论的机会。3)对评议结果要设立申诉机制。4)事先对评委进行培训。在国家自然科学基金委员会、国家科技部等组织重大项目评议时,建议事先对评委就交叉学科如何评议进行培训。

  3.完善教师学术评价机制。对教师学术水平的评价不能仅仅依靠论文乃至CNS的文章发表情况,而是从学科高度和是否具有原创性来进行评估,要给学科交叉研究成果更大权重。

  4.完善研究生毕业论文与发表论文的要求。研究生的教育理念对学科交叉建设存在着巨大的影响。例如现在的研究生毕业,要求发表论文,顶尖的高校还要求发表比较好的论文。而交叉学科的学生本来就要花费更多的时间和精力来完成课题研究,发表论文更难。因此在制定研究生毕业论文与论文发表的要求方面,对学科交叉应有特殊的政策。

  组织管理

  1.重点高校和科研院所有必要建立专门的独立的交叉科研机构并且给予重点扶持。

  2.交叉科研机构一定要处理好虚体和实体的关系。全世界的交叉研究机构都存在这个问题,如果做成实体,往往面不够广;如果都是虚体,往往推不动发展。所以如何通过虚实结合,达到既有实体的推动力又能在面上拉动更多的人来进入学科交叉,是需要研究和实践的一个重要问题。

  3.交叉科研机构需要设置独立的学术委员会和学位委员会。

  4.要完善兼职教授、双聘教授制度。既要落实他们的责任,又不能造成过度的负担;既要有激励机制,也要有规范和限制性的制度。

  5.做好研究生的管理服务。交叉研究机构的研究生如何做好双重管理?既要有统一管理,又不导致他们脱离所在学科的研究集体,还需要不断探索。

  6.建设与用好公用研究设备平台。既要制定合理的制度和办法,提供方便和服务,让更多的人来用这些设备,又要维护好设备,保证可持续运转;要防止平台成为少数人的专用,又要不让设备空转。这些都需要在实践中摸索经验。

  文化和土壤

  1.培育追求真理、讲求品味的氛围。核心是提倡竺可桢先生所主张的从事科学要“只问是非,不计利害”,要讲求优秀科学家的脾性和品味,包括好奇心、激情、专注、执着、诚实,遵守科研规范和道德。

  2.推崇和而不同、兼容并包的氛围。学科交叉要鼓励打破常规,允许失败。学科交叉成功的人,往往是特别聪明的人,他们可能在性格上乃至精神上有点特别,对他们要给予包容。美国的分子生物学奇才Kraig Venter,总是特立独行,他甚至说“我最引以为荣的成就当属被商界与学术圈嫉恨”,这样的人都能继续获得发挥才能的空间,这值得我们学习。我们要鼓励不同观点同时存在,视不同意见为珍宝,各美其美、美人之美。我认同美国诗人华莱士·史蒂文斯所说:“不完善,才是我们的天堂”。

  3.建立合作交流\平等互利的氛围。科学史上可以举出很多例子,在某个小型学术会议上,乃至是喝咖啡时,科学家之间互相交流,突然得到启发,做出重大的创新。现在我们的好多学术会议已经变了味,我们要让它们回归本源,多一些有目的的学术访问。在科研合作中要相互谦让,多做贡献,少要所得,同时注意签订必要的合作协议,有时“丑话说在头里”“亲兄弟明算账”反而能避免不必要的矛盾,使合作关系更加和谐和长久。

  4.传播优秀经验,创造舆论。这次办好“学科交叉的魅力”名师系列讲座,就是为提倡学科交叉制造舆论的一种努力。

  (北京大学科学技术与医学史系张雪梅、韩明月整理。本版刊发时有删节。)

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