1993年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主之一、英國科學家理查德·約翰·羅伯茨在2015年4月2日的《美國公共科學圖書館·計算生物學》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，學生物。因為，與生物學相關的諾貝爾獎有兩種，即諾貝爾化學獎和諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，諾貝爾化學獎的一半都發(fā)給了生物學家，這樣，就會提高50%的獲獎概率。

2016年化學獎的回歸

縱觀諾貝爾化學獎的歷史，羅伯茨的話有其合理性。在諾貝爾化學獎116年的歷史長河中，共有174位獲獎者，其中研究成果涉及生物、生命與化學（統(tǒng)稱生物化學）的幾近一半。在20世紀，英國科學家弗雷德里克·桑格分別在1958年和1980年兩次獲獎，成果均為生物化學的內(nèi)容。

到了21世紀，除2016年的化學獎外，已頒發(fā)的15次化學獎中，與生物相關（生物化學）內(nèi)容更是高達10次，占2/3，以致化學專業(yè)的研究人員感到了不安和憤憤不平，聲稱干脆把化學合并到生物學里算了，因為純粹的傳統(tǒng)四大化學--無機化學、有機化學、物理化學和分析化學研究內(nèi)容獲獎加起來還不如生物化學一個學科的內(nèi)容獲獎的多。

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

這三位科學家的成果實際上就是設計和合成了分子機器。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，從而啟動了分子機器研發(fā)的第一步。

1991年，斯托達特研究出輪烷，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，從而完成分子機器研發(fā)的第二步。此后，他以輪烷為研究基礎，研發(fā)出分子起重機、分子肌肉和分子計算芯片。

1999年，費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的第一人。利用分子馬達，費林加讓一個28微米長的玻璃杯（比馬達大1萬倍）成功旋轉(zhuǎn)。此外，他還設計出一輛納米汽車。至此，分子機器研發(fā)初步成功。

盡管在化學專業(yè)的研究人員看來，分子機器這一科學成果獲得諾貝爾化學獎是化學姓“化”--回歸純化學的標志，但是，仔細看來，這個萌態(tài)十足的分子機器并非完全姓“化”，而是也可以姓“物”，或姓“化”與“物”的雙姓，因為它并非是純化學的血統(tǒng)，而是化學與物理學雜交的“后代”。

追根溯源，生物化學也是從傳統(tǒng)的純化學演化而來，因為早期的生物化學主要作為有機化學的衍生學科，諾貝爾化學獎獎勵的內(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年的諾貝爾化學獎其實也涉及了多學科的內(nèi)容，并非純化學血統(tǒng)，尤其是涉及物體的運動，因為無論是分子肌肉還是分子電梯，或分子馬達，都需要它們能夠運動做功，以達到幫人干活的目的。分子的運動也像物體的運動一樣，既涉及運動物理，也涉及生物物理和材料物理。

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

即便以純化學而言，分子機器也涉及并形成一個很大的領域，包括有機合成（化學）、（有機）超分子化學、分析化學等學科。因此，分子機器還算不上純化學血統(tǒng)，而是有多學科雜交血緣關系。

醫(yī)學與物理學和化學的結(jié)合

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

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

不過，另一項物理學成果應用于醫(yī)學而獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎更能體現(xiàn)物理與醫(yī)學的結(jié)合，這就是2003年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，該獎項授予美國的保羅·C.勞特伯和英國的皮特·曼斯菲爾德，因為他們發(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)既是物理學與醫(yī)學的結(jié)合，也是交叉學科能產(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獎。磁場和無線電波頻率之間的簡單關系控制著共振現(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)學上的常數(shù)。這就有可能確定磁場的波長，以作為磁場強度的函數(shù)。早在1946年，美國的費利克斯·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年的諾貝爾物理學獎。

磁共振成像技術(shù)的原理在于，一個強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。當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。

在隨后的幾十年中，磁共振主要使用于研究物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)，再后來導致磁共振成像在醫(yī)學上的應用。水構(gòu)成人體體重的約三分之二，在人體不同組織和器官中的水分是不一樣的。許多疾病的病理過程會導致水分的變化，這種變化恰好能在磁共振圖像中反映出來。

通過先進的計算機程序，可以創(chuàng)建一個反映組織化學結(jié)構(gòu)，包括不同水含量和水分子運動的三維圖像。如此一來就可能在被觀察的身體部位產(chǎn)生非常清晰的組織和器官的圖像。用這種方法可以弄清疾病的病理變化。

對磁共振現(xiàn)象進行研究所產(chǎn)生的成果還遠不止于此，與這個內(nèi)容相關的研究還獲得了另兩次諾貝爾化學獎。1991年，瑞士的理查德·歐內(nèi)斯特由于研發(fā)高分辨核磁共振分光術(shù)的貢獻而獲得該年度諾貝爾化學獎。2002年，同樣是瑞士的庫爾特·伍思里克因發(fā)明核磁共振分光鏡檢查以確定溶液中的生物大分子的三維結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學獎。

這兩次化學獎當然是物理學與化學結(jié)合的結(jié)晶。

交叉學科的魅力

為什么生物、生命科學、醫(yī)學、化學和物理學的交叉學科成果最容易受到諾貝爾獎的青睞？

答案應當是比較清晰的，交叉學科是比較容易出成果的富礦。粗略回顧一下從1901年以來的諾貝爾自然科學獎就可以知道，上述這些學科的內(nèi)容是難以分割的，而且只有學科交叉才容易獲得突破性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。

1998年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予三位美國科學家，羅伯特·F.弗奇戈特、路易斯·J.伊格納羅和弗里德·穆拉德，因為他們發(fā)現(xiàn)硝酸甘油及其他有機硝酸酯可釋放一氧化氮氣體，而后者能擴張血管平滑肌從而使血管舒張，這是生物化學和生物醫(yī)學的內(nèi)容。

2004年的諾貝爾化學獎授予以色列的阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫爾什科和美國的歐文·羅斯，因為他們發(fā)現(xiàn)了泛素對蛋白質(zhì)降解（死亡）的調(diào)節(jié)，這也是生物醫(yī)學和化學的內(nèi)容。

2006年諾貝爾化學獎的內(nèi)容也涉及生物化學和生物醫(yī)學。美國科學家羅杰·科恩伯格因在真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎研究領域做出的貢獻而獨自獲得該年度的諾貝爾化學獎?？贫鞑窠沂玖苏婧松矬w內(nèi)的細胞如何利用基因內(nèi)存儲存的信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，也就是真核生物必須先將儲存在基因里的信息備份并傳送至細胞外層，細胞再利用這些信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，這個過程也稱為轉(zhuǎn)錄。

上述獲獎和2016年的化學獎所表彰的內(nèi)容實際上既是生物、醫(yī)學的，也是化學的，而且很難嚴格區(qū)分它們到底是生物學、醫(yī)學還是化學，因為三者已經(jīng)有機結(jié)合在一起了。更能說明問題的是，兩次獲得諾貝爾獎的英國科學家弗雷德里克·桑格。1958年他的第一次獲獎是化學獎，因為他完整測定了胰島素的氨基酸序列，證明蛋白質(zhì)具有明確構(gòu)造；他的第二次獲獎是在1980年，同樣獲得諾貝爾化學獎。他發(fā)明的快速DNA測序方法（雙去氧終止法）“打開了分子生物學、遺傳學和基因組學研究領域的大門”。這兩次獲獎均為生物、醫(yī)學和化學的內(nèi)容。

如果說生物、醫(yī)學和化學是一些有比較天然聯(lián)系的學科，因而容易結(jié)合在一起并拓寬視野和獲得成果的話，那么，在跨度較大的學科之間馳騁縱橫難度就更大一些。但越是在這些難度大的地方，越容易發(fā)現(xiàn)真理，關鍵是不要讓真理從鼻尖溜走。2003年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎就是如此，即把磁共振成像技術(shù)應用到醫(yī)學領域，采用物理的技術(shù)和方法來研究醫(yī)學，極大地方便了疾病的診斷和治療，取得創(chuàng)造性成果。

交叉學科容易獲得成果的原因有三。一是舊有的學科領地已經(jīng)深耕細作得比較充分了，要挖掘出新成果相對困難；二是隨著社會的需求和科學的發(fā)展，舊有學科的劃分需要突破，新的學科則會應運而生，而新學科大多會建立在多學科的結(jié)合部位上；三是交叉學科本身就是一個新領域，在他人尚未耕種的土地上耕耘，獲得新發(fā)現(xiàn)新成果的概率會更大一些，因此，交叉學科就成為創(chuàng)新的基地之一。

在交叉學科領域進行研究或運用交叉學科的技術(shù)和方法進行研究并非簡單地把不同學科組合起來，而是有多種層次，一是捆綁式學科交叉，二是滲透式學科交叉，三是螯合式學科交叉。所謂螯合是具有兩個或兩個以上配位原子的多齒配體與同一個金屬離子形成螯合環(huán)的化學反應。所有這些交叉都不可避免地會產(chǎn)生新的學科生長點，也會產(chǎn)生較多的重大成果。

今天的科學研究是多學科之間的合作與交流，只有在交叉學科方面，才有更多未開墾的處女地，才會獲得更為豐厚的成果。

【責任編輯】張?zhí)锟?/p>

郭興