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韩启德:学科交叉成功的几个要素|科学的担当

  韩启德:学科交叉成功的几个要素|科学的担当导读 今日文章为“科学的担当”专栏第10篇,是中国科学院院士、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创系主任韩启德近日关于交叉学科的一个讲座实录。

  5月10日晚20:00,韩启德以线上讲座的形式,主讲“学科交叉的魅力”名师系列讲座第一讲,他的题目为“漫谈学科交叉”。讲座由中国科学院院士、北京大学讲席教授、北京大学前沿交叉学科研究院执行院长、北京大学定量生物学中心主任汤超主持。

  在讲座中,韩启德指出科学源于不分科,分科后的学科交叉催生了累累硕果,他还从亲身经历出发,充分阐述推动学科交叉研究的巨大价值。同时,韩启德认为,作为文理交叉的典型学科——科学史,它的学习与研究,是任何一门科学发展必经的道路,他呼吁,科学史理应成为大学教育中的基础必修课。

  图1:演讲 | 韩启德

  漫谈学科交叉.

  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,对于推动学科交叉研究、提高原始创新能力将起到积极作用。我作为前沿交叉学科研究院的院长,理应大力支持,今天来谈下自己的一些体会,算是为系列讲座敲的开场锣鼓吧。

  我准备讲四个方面的内容:1. 学科交叉是科学的题中应有之义;2. 我对学科交叉的亲身体验;3. 北京大学在学科交叉方面所做的努力;4. 关于取得学科交叉成功的要素。

  1 学科交叉是科学的题中应有之义

  首先,援引前沿交叉学科研究院的执行院长汤超院士在工作总结时的一段发言:“学科交叉,已经逐渐变成了科技创新的一个主要源泉,成为这个科学时代一个不可替代的研究范式。” 他还列举了2017年的诺贝尔化学奖就颁给了物理学家,以此来奖励他们解决了生物学的问题。汤超老师还提到,“世界科技强国多年来持续对重点学科领域的前沿交叉与融合发展进行了前瞻性的布局;我国当前总体上处于积极探索阶段;目前教育部、科技部和国家自然科学基金委等部门,都在对传统学科分类模式进行改革,大力推动学科交叉融合。” 在此,我想做进一步的补充,那就是:学科交叉不仅仅是当今时代科技创新的源泉,其实历来如此,它是科学的题中应有之义。

  科学细分学科实为晚近之事

  科学起源于古希腊时期,那时虽然也分所谓的 “四艺”(算术、几何、天文学、音乐),及至中世纪时欧洲博雅教育中的 “七艺”(再加文法、逻辑、修辞),这些完全不是科学意义上的分科。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。达尔文在1859年出版的《物种起源》,当时虽然已有生物学乃至更细的分科,但仍被归入博物学的著作。

  图2:左:《自然哲学的数学原理》 右:《物种起源》

  直到19世纪,科学分支和分科才越来越多,同时 Science 这个英文词才被广泛使用。19世纪60年代,日本明治维新在引进欧洲科学时,由于那时欧洲的 Science 已经形成分科的局面,日本人依照自己的理解把 Science 译成了日文的 “科学” 两字。后来中国从日文直接引进,也使用了 “科学” 来表示 Science。

  “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。即使在19世纪科学分科格局基本形成以后,学科的边界也总是模糊的、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。

  下面我以生物学为例来说明这一点。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(例如孟德尔豌豆试验中需要处理2.8万株植物、4万朵花以及40万颗种子的数据;摩尔根要统计上千种突变体和数以万计的果蝇的数据),因此生物统计学又应运而生。

  上述多学科经过近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。

  生物学界的年轻一代不满足前辈们基于形态、观察、描述和归纳的研究模式。从20世纪开始,他们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。

遗传物质的结构

  图3:遗传物质的结构

  回望近两个世纪以来生物学的发展历程,可以看到在生物学范围内的学科之间,从来就没有固定的界限,它们总是处于不断的流动之中,在相互交叉与融合过程中发展,而重大颠覆性创新多数发生在不同学科的交界处。学科发展的总体趋势是从博物学方法到实验方法,从形态到功能,从整体到分子;学科不断细分,而同时又保持着从分到合、从还原到综合的一定张力。近年来热门的大数据研究、真实世界研究、虚拟真实性(Virtual Reality,VR)、冷冻显微电镜技术的发展就是明证。

来源:北京大学科学技术与医学史系 北大科技医史系
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