作者:冯一潇 来源:科学时报 发布时间:2010-2-2 9:35:42
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冯一潇:诺贝尔奖为何青睐交叉学科

 
在近万个独立学科中,一半左右属于交叉学科。目前比较成熟的学科大约有5550门,其中交叉学科总数约2600门,占全部学科总数的46.8%之多,其发展表现出良好势头和巨大潜力。
 
“大科学”并不是指依赖于大装置的“大科学”,而是指“综合性的大科学思维体系”,以区别于“传统的、狭隘的科学思维方式”。
 
百年诺贝尔奖,有41.02%的获奖者属于交叉学科。尤其在20世纪最后25年,95项自然科学奖中,交叉学科领域有45项,占获奖总数的47.4%。这个统计数据的重要意义,尤其值得不擅长多学科交叉的中国科学家深入思考。
 
交叉学科是指两门或两门以上学科融合而形成的一种新的综合理论或系统学问。交叉学科不是多门学科的简单拼凑堆积,而是多学科依存于内在逻辑关系联结渗透形成的新学科。不同的学科彼此交叉综合,有利于科学上的重大突破,培育新的生长点,乃至新学科的产生。
 
中国科学院院长路甬祥提出:在近100多年里,交叉科学,包括边缘科学、横断科学、综合科学和软科学等,运用多种学科的理论和方法,消除了各学科之间的脱节现象、填补了各门学科之间边缘地带的空白,将分散的学科综合起来,从而实现科学的整体化。交叉学科研究正在成为科学发展的主流,不仅活跃研究者的思维,开阔科学研究的视野,同时也大大推动着科学技术的发展。一个最新的例子是纳米科学,这是最为典型的交叉学科,它的出现,推动了众多学科领域的发展。
 
学科交叉是重大科学成就的源泉
 
将某一学科已发展成熟的知识、方法和技术应用到另一学科的前沿,能够产生重大创新成果,学科交叉是创新思想的主要来源之一,已经取得了杰出的成就。以诺贝尔奖为例,交叉学科所获奖项一直占据很大比重,评奖委员会更倾向于表彰属于交叉学科范畴的研究成果。
 
20世纪自然科学最重要的有三大发现,相对论、量子力学和DNA双螺旋结构。其中DNA双螺旋结构的发现是科学史上最富传奇性的“章节”之一,作出重大贡献的科学家一共有4位:物理学家克里克(Crick)和威尔金斯(Wilkins)、生物学家沃森(Watson)还有化学家富兰克林(Franklin)。他们4人具有不同的知识背景,在同一时间都致力于研究遗传基因的分子结构,在既合作又竞争,充满交流和争论的学术氛围中,发挥了各自专业的特长,为DNA双螺旋结构的发现作出了杰出贡献,这是科学史上由多门学科交叉渗透、相互借鉴产生的一项举世瞩目的科学成果,成为生命科学发展的重要里程碑。基因工程中的DNA重组技术也是学科交叉的产物。这一技术的开拓者和创始人,美国生物化学家保罗·伯格(Paul Berg)借助类似工程设计的方法,利用限制酶和连接酶处理SV40病毒和大肠杆菌DNA碎片,最终两个不同来源的DNA片段连接在一起并发挥其应有的生物学功能。这是世界上首次完成的基因重组和DNA人工转移的重大创新研究,证明了完全可以在体外对基因进行操作,从而为人类主动改变生物的性状和功能,创造更加适合于人类需要的新生物提供了重要方法,开创了遗传工程的新纪元。
 
1998年度诺贝尔化学奖的颁布,向人们展示了数学、物理和化学学科的交叉和融合取得的重大成果。美国物理学家瓦尔特·科恩(Walter Kohn)和英国数学家约翰·波普(John Pople)以物理和数学工具,发展了量子化学理论和计算方法,在化学领域取得了骄人成就。通过以科恩和波普为代表的量子化学工作者的不断努力,今天,量子化学无疑成为化学工作者最有用的工具之一。磁共振成像技术(MRI)的发明实质上是物理学与医学的结合,也是交叉学科能产生丰富成果的有力证明。这种能精确观察人体内部器官而又不造成伤害的影像技术,对于医疗诊断、治疗及其检查至关重要。其发明者,美国的保罗·C·劳特伯(Paul·C·Lauterbur)和英国的皮特·曼斯菲尔德(Peter Mansfield)因此项技术获得了2003年诺贝尔生理学或医学奖。
 
交叉学科研究是科学发展的主要方向
 
交叉学科是当今科学的前沿研究领域。据统计,在近万个独立学科中,一半左右属于交叉学科。目前比较成熟的学科大约有5550门,其中交叉学科总数约2600门,占全部学科总数的46.8%之多,其发展表现出良好势头和巨大潜力。当今,很多热门话题都涉及交叉学科研究,如基因组学与蛋白质组学、神经系统科学、微阵列技术等;同样,许多重大的科研成就也都是跨学科合作的成果,如人类基因组测序、“绿色革命”以及载人空间飞行等。前沿学科在交叉融合中获得新生。2003年由美国硅谷产学研各界组成的智囊机构一致认为,20世纪90年代迅速发展的生物技术、信息技术、纳米技术正在共同酝酿下一个科技创新高潮。未来这三大技术的交叉融合将有望广泛改变工艺和产品,产生新的经济增长点,形成一次新的产业革命,并将对全球产业产生重大影响。可以说,交叉学科研究是未来科学发展的主要方向,实现科学研究的跨学科性不仅是科学自身发展的需要,也是全球经济和人类社会发展的需要。
 
世界各国对交叉学科研究极为重视。2002年美国国立卫生研究院(NIH)建立了多个学科交叉研究中心,便于来自不同学科背景的科研人员相互交流和沟通,不仅设立了“多学科交叉研究人员培训基金”,还举办了“技术方法创新研讨会”和“生命科学与物质科学交界的机构联席会”。英国等其他发达国家也相继成立了学科交叉研究中心,为前沿学科建设开辟道路。1998年,诺贝尔物理学奖获得者,斯坦福大学教授朱棣文倡导确定了“生物学交叉学科研究计划”(Bio-X Program),包含了涉及生物科学、生物工程和医学领域的众多学科。Bio-X 计划将基础理论、应用研究和临床科学的前沿结合在一起,促进整个生物医学领域从分子尺度跨越到人类器官尺度的技术创新。2002年,《自然》杂志设立了一项“交叉学科进步奖”提名,奖励那些在交叉学科领域作出杰出贡献的科学家,宗旨是为了促进学科之间的交流。这吸引了大批来自不同学科的科学家,他们有的在交叉学科领域中发明了新的技术,有的则将一些已经成熟的技术以新的形式去解决问题。大家都希望可以在思想上交融并闪出智慧的火花。生命科学界权威杂志《细胞》也特设了一个相关交叉学科领域的介绍专栏,为研究人员打开了进入交叉学科研究的大门。
 
我国政府在“十一五”科学技术发展规划中,选择了一批重大科学前沿问题开展研究并给予资助,包括:生命过程的定量研究与系统整合、凝聚态物质与新效应、地球系统过程与资源、环境和灾害效应等多学科研究方向。“973”项目8个资助领域之一的“综合交叉”,通过鼓励不同学科领域间的交叉融合,培养和造就一大批富有创新精神的科技人才,建设若干学科交叉、综合集成、机制创新的重点实验室和研究基地,从而孕育出更多的创新性研究成果。第一批“973”项目——“光合作用高效光能转化机理及其在农业中的应用”就是一项多学科交叉,把生物学、物理学、化学和农学有机结合开展科学研究的项目,使我国光合作用机理与膜蛋白三维结构研究处于国际领先水平。这样大跨度的多学科结合具有鲜明的特色在国际上也很少见。2006年,科学出版社出版的《中国交叉科学》创刊,为国内首个交叉科学研究连续出版物,以交叉为特色,反映我国交叉科学研究新思想、新观点、新成果。同年北京大学成立前沿交叉学科研究院,该院已建立了生物医学跨学科研究中心、化学基因组学研究中心等若干前沿交叉学科研究群体,承担国家重大科研项目。国内其他重点高校如浙江大学也相继成立了相关研究中心,加强交叉学科的建设。中国科学院高能物理所于2006年设立了有200多名研究人员的多学科研究中心,迄今已在纳米生物安全性、金属蛋白质组学、分子影像学、生物大分子结构等方面取得了一批重要成果。
 
交叉学科研究的创新建设
 
不同学科间的交叉和融合是21世纪科学发展的主要趋势。交叉学科研究既有一般科学研究的共性又有自己的个性。突破传统思维方式和体制,促进各学科协作发展的关键是建立一套行之有效的组织管理机制、人员聘任评价机制、资源分配机制以及相应的交叉学科学术支撑体系。交叉学科研究应向体制化、制度化及管理的可操作化迈进。2004年,美国科学院协会(American Scientific Affiliation)发表了长篇报告,名为《促进交叉科学研究》(Facilitating Interdisciplinary Science)。该报告全面深入地分析了交叉学科研究的发展现状,对如何促进交叉学科发展提出了从科学研究、人才培养到管理体制一揽子富有创见性的改革方案,其前瞻性、系统性、深刻性令人深受启发。
 
与发达国家相比,中国交叉学科的发展还处在不成熟的阶段。交叉学科既没有院系对应,自身也未成学统,从事交叉学科的研究人员只能分散到其他学科。由于交叉学科尚没有专门的学术建制,因而常会遭受传统思维的束缚和固有研究体制与模式的阻力,找不到对应的位置,得不到政策、制度的鼓励和保障,致使学科交叉研究的力度和广度不足。《中国交叉科学》主编刘仲林教授认为,交叉科学研究要在现有科研和教育体制中立足,就必须从深层突破以传统学科界限为基础的科研管理和学科组织模式,建立有利于交叉、开放和共享的运行机制,拓展科研和教学充分自由创造的空间。正如李四光先生所言,要“打破科学割据的旧习,作一种彻底联合的努力”。
 
建设和发展交叉学科的关键取决于构建基于学科交叉的教学科研管理平台。应根据自身学科建设和发展情况,积极创新平台建设模式,以优势学科和特色学科为基础,组织联合相关的研究力量,逐步克服现行的教学科研体制、人事制度与学科交叉平台建设相互矛盾的突出问题,建设一个学科前沿性与学科交叉性相结合、实体与虚体相结合的交叉学科研究平台。政府和资金赞助部门应有导向性,以鼓励学科交叉研究的开展。通过优化资源的配置,如设立交叉学科研究项目等,保证资源合理、有效到位,以较好地实现各要素间的优化配置,并使各要素间得以和谐发展。还要构建学术交流平台,不断创新学术交流方式,通过不同学术观点的争鸣和学术思想的碰撞、切磋、互相渗透和融合,扩大视野,有效沟通,启迪科技人员的学术思想,激励创造性思维能力。
 
交叉科学则因其独特的跨学科性而无法找到自己的应有位置,以至形不成自己的专门队伍和组织,缺乏人才培养基地和学术研究平台,发展不得不长时间停留在“业余”的水平上。科技体制应为交叉学科发展培养创新人才,整合人才资源,组建科研团队。利用不同学科背景的研究者在方法上的相互启发,科研中的相互配合,真正实现质量上的系统整合效应。通过选拔优秀人才、激励先进成果来推动科技进步。逐步建立和完善交叉学科建设的弹性绩效考核和评价机制,弱化短期考核指标,努力为学科建设特别是交叉学科的建设和发展创造良好的软环境。正如美国国家科学技术委员会2004年给美国政府的科技咨询报告中指出:“为使未来科技领域真正有所成就,造就能够跨越传统学科进行研究并思考外部世界的新一代科学家是绝对必要的。培育这种要么能够跨学科研究,要么知道如何在学科交叉领域与他人合作的新一代研究人员,对于未来至关重要。”
 
学科交叉推动“大科学”时代进程
 
学科交叉体现了科学的综合化发展趋势。科学上新理论、新学科、新技术的出现常常是在现有学科的边缘或交叉点上。学科交叉已经形成了大量成熟的交叉学科,如物理化学、生物化学、生物物理学等,并且还将陆续形成其他重要的交叉学科。这些新学科将会大大推动科学进步,尤其在现代“大科学”发展趋势下,几乎已找不到没有学科交叉的纯科学问题。随着学科交叉研究的发展,新兴交叉学科的产生以及各种新的理论体系和研究方法的创建与不断完善,使得科学本身向着更深层次和更高水平发展,推动科学向着多维综合性、创造性和开放性的思维方式迈进,这就是所谓的“大科学”时代。我们这里所指的“大科学”并不是指依赖于大装置的“大科学”,而是指“综合性的大科学思维体系”,以区别于“传统的、狭隘的科学思维方式”。
 
“分化”是小科学时期科学发展的主要动力,“交叉”则是大科学时代科学发展的主要表征。在大科学背景下,交叉学科得到突飞猛进的发展,受到政府和学界的广泛关注。国务院2006年发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,部署了四项重大科学研究规划,涉及蛋白质研究、量子调控研究、纳米研究和发育与生殖研究等研究领域,其中的16个重大专项多数都是跨学科领域的。中国科协新批准的34个学会中,有一些就是交叉科学学会。可见,交叉学科的不断涌现,并逐渐形成各种交叉学科群,乃是当代大科学时代的主要特征之一。
 
国家自然科学基金委员会于2000年开始试点实施“重大研究计划”,这是提高我国科技持续创新能力的一项新举措,是重要的制度创新。该项目针对重大科学问题,整合不同学术思路和不同层次的项目形成具有统一目标的项目群,实施相对长期(6~8年)的支持,旨在促进学科交叉和学术争鸣,激励创新。这种资助模式强调顶层设计,突出战略性,在围绕整体目标进行研究方面作出了积极探索,既保证了科学研究自由探索的需要,发挥了科学家的创造性,又顺应了“大科学”时代科学研究的规模性,实现了多学科的交叉和集成。基础研究中的创新常常来自不同学科之间的互碰、不同理论的互融和不同专业人员的互补。“大科学”时代将会越来越重视科学体系的统一性和完整性,这就是现今科学研究的显著特点和发展趋势。我国交叉学科目前总体上处在发展成长阶段,并且表现出快速发展的趋势,具有良好的发展前景和广阔的发展空间。
 
(作者单位:中科院高能物理所多学科研究中心)
 
《科学时报》 (2010-2-2 A3 观察)
 
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