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韩启德:学科交叉成功的几个要素|科学的担当

  学科交叉是科学题中应有之义,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两个方面的例子。

  1. 化学推动病原微生物学和药学发展。

  18世纪蒸汽机的发明和应用引发了英国工业革命,煤炭和煤气的使用产生了大量的污染废物——煤焦油,如何处理煤焦油则成为一大难题。需求推动了创新,化学家从煤焦油中提炼出蓝色的苯胺以及各种颜色的苯环芳香族衍生化合物。在此基础上,19世纪德国染料工业技术兴起,发明出更多的染料。随之,细菌学家们发现有的染料可以选择性地使某些细菌染上颜色,甚至让细菌的细胞核与细胞质染上不同的颜色,这样便容易发现病原细菌,并直观地看清细菌的结构。在此基础上,法国的巴斯德、德国的科赫相继在病原微生物学上取得划时代成就。例如巴斯德揭示了发酵原理,发明了狂犬病与鸡霍乱疫苗;科赫分离出结核与伤寒杆菌,发现炭疽杆菌与霍乱弧菌,定义了判断病原微生物的四大原则,等等。后来,科学家发现如果在特异作用于病原菌的染料上连接毒性化合物,能杀灭病原菌而不损害人体。利用这个原理,1910年埃尔利希发明“撒尔佛散”(Salvarsan, 又称606)成功治疗梅毒,成为人类首创的化学合成药物。

用托尔蓝染色的肥大细胞&正在做实验的埃尔利希

  图4:用托尔蓝染色的肥大细胞&正在做实验的埃尔利希

  化学促成药物发展的另外一个例子是阿司匹林的发明。18世纪中叶英国的爱德华·斯通(Edward Stone),看到沼泽地区多发疟疾发热病人,而沼泽地区总是柳树丛生,由此他联想到柳树皮是否能退热?后来经过试验,果然发现柳树皮干粉能使一些发热病人退热。随后也是由于化学的进步,到1828年后的十年间,德国、意大利和法国化学家先后从柳树皮当中分离出具有退热作用的水杨苷和水杨酸。1853年,德国化学家科尔贝(Hermann Kolbe)从煤焦油中提炼出水杨酸,并于1874年实现产业化生产。但由于水杨酸对胃肠道的腐蚀性太强,会产生胃肠道出血、腹泻等严重副作用,从而妨碍了其临床应用。最终在1897年,德国的拜耳公司由水杨酸得到了其衍生物乙酰水杨酸,即阿司匹林。由于阿司匹林不仅有确切有效的解热镇痛的作用而且对胃肠道的副作用大大减弱,并且后来发现它还具有抗凝血与对心脏的保护作用,至今阿司匹林仍为临床应用最广泛、疗效最确切的化学合成药物。

阿司匹林与其发明者费利克斯·霍夫曼

  图5:阿司匹林与其发明者费利克斯·霍夫曼

  这样的例子还有很多,如果没有化学的发展和化学家的努力,就不可能有现代药物学的发展。

  2. 物理学推动临床影像诊断的发展。

  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。

X射线的发明者伦琴与第一张X射线医学影像照片

  图6:X射线的发明者伦琴与第一张X射线医学影像照片

  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即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。

CT、PET与PET-CT

  图7:CT、PET与PET-CT

  此外,核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging,NMRI)的发明也与物理学家的努力密不可分。它的原理简单来说是被检查的组织细胞内的氢原子核在强大的磁场作用下发生共振,通过记录共振时所产生的波谱并经过计算机对数据重建,得到非常准确的、立体的人体脏器组织和病灶的影像。核磁成像技术发展很快,现在已经发展到四维成像,即随时间动态显示图像,比如心脏动态核磁共振检查不仅可以清晰显示心室、心房、瓣膜和冠状动脉的结构,而且能显示心脏搏动时的动态图像,甚至可以结合人工智能技术来评判冠状动脉血流状况。发明NMRI这项技术的物理学家在2003年获得了诺贝尔医学或生理学奖。

  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,他去日本学习,后来到世界光学技术龙头企业奥林巴斯工作,并做到该公司医学内窥镜方面的技术主管。他决定回国发展时,所有在日本开展过的研究都不允许在中国开展。我问他:“那你怎么办呢?”他说:“没问题,我做在日本没做过的研究。”后来,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。他说:“这对我们工科的人来说很简单”。后来他又采用激光图像传输和无线供电等技术,使胃镜的功能不断得到改进,目前产品已经畅销国内外。

内窥镜的成像原理

 图8:内窥镜的成像原理。

  总体来说,由于医学成像的发展,医生能够直接透过体表看到身体内部,不仅对内脏结构了如指掌,更能直指病灶,进而大大推动了临床外科的发展。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。

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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