作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/14 19:58:55
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唐本忠院士:呼唤从分子论向聚集体科学的研究范式转移

 

1962年,美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中提出了“研究范式转移“这一概念,对科学哲学领域具有深远的影响。

物质科学的研究通常采用分子科学的范式,在这一范式下进行测试、建立理论、预测结果。然而,在物质科学的研究过程中,也会出现常规科学理论不能解释的反常情况,研究者起先往往会认为“仪器不精准,仪器测量错误,或者自己搞错了”。面对科学研究中的疑点,研究者有时会想方设法做出改进,但随着反常情况的增多,大家开始怀疑研究范式,思考当前的研究模型是否存在问题。在反思原有范式的同时,研究者也会构想新的研究范式。新旧范式的革命、新范式的建立和采用,最终推动了科学的进步发展。

科学从某种程度上来讲就是了解自然。为了了解自然,人们从各种不同的角度观察世界。从宏观到微观,人们建立起了各种各样的范式、模型、概念。在科学发展的早期,就伴随着一个哲学的拷问:在世界万物中,什么东西是最小的、决定万物的基元?

从哲学探讨的角度,古希腊的泰勒斯说“万物源于水”,即水是所有东西的起源;毕达哥拉斯说“不是水,世界是由万物组成的”;而古代中国先哲的回答则是“金木水火土”。当然,这些答案在今天来看都是有时代局限性的。

在物质科学领域,意大利化学家阿伏伽德罗比较正确地回答了这个问题。1811年,他提出了“分子”的概念,起初这一概念比较模糊,认为几个原子靠吸引力结合在一起构成分子。而后,作为物理研究者的麦克斯韦提出了更严谨的分子定义,他提出“分子即是一种特定物质的最小部分”,这就回答了我们前面提出的哲学问题。

现在,我们如何定义分子?根据网络搜索结果,“分子是一种物质的最小粒子,它有物质的所有性质”,这回答了什么是最小物质的问题。

我研究分子化学,在科学上属于“分子科学”的范畴,在哲学上叫做还原论。什么是还原论?第一,“世间万物,都可以把东西还原到最基本的、最简单的部分”;第二,“整体不是其他什么东西,就是它的部分之和”。

区别于还原论,还有一门哲学叫做整体论,认为“一个系统的性质,不止是由它的部分来决定或者是来解释的”、而是“系统作为一个整体,它去决定部分的行为”。因此,还原论是“部分决定整体”,整体论说“整体决定部分”,二者在哲学上有所区分。

还原论非常深入人心,可以说是现代科学的主流。整体论是一门古老的哲学,其中就包括老子“道生一,一生二,二生三,三生万物”的哲学思想。和老子同时代的另一位哲学家亚里士多德认为“整体大于部分之和”。

现代物理学家安德森在获得诺贝尔奖之前发表过一篇文章——《More is Different》。他认为,基本粒子大而复杂的行为,不能仅仅通过对个别粒子的性质外推而加以理解。他进一步指出,在复杂性的每一个层次都可能有全新性质出现,而不是性质的简单加成。他提出,整体可能大于部分,可能大于部分之和,也显示出与部分之和非常不一样的性质。这与亚里士多德的思想有异曲同工之妙。

分子科学认为,如果分子拥有某种性质,用分子组合而成的物质便也拥有这种性质,这是一对一的关系。但是现实中,有许多不遵从分子论的现象。第一个范例是聚集导致淬灭(ACQ),指一种物质的分子在溶解时可以闪闪发光,但它的聚集体完全不发光。第二个是聚集诱导发光(AIE),指一种物质在单分子层次不发光,分子聚集之后却能闪闪发光。

上述两种范例恰恰相反,却都无法用分子论去解释。ACQ的研究历史有100多年,AIE则在20多年前被偶然发现,但研究者们至今仍未揭开其背后的运行机理。因此,现有的研究范式无法解释违反分子科学的现象,便需要哲学发挥其指导意义,这就体现出了哲学的重要性。

我认为我们应该研究聚集体论。我今天讲的是从分子论到聚集体科学的范式转移。分子论是在分子层次研究构效关系,现在很多化学家、生物学家都在进行这一研究,而我是通过聚集体论来研究构效关系。

我们在实验室中发现,绿色萤光蛋白的分子完全不发光,蛋白形成的折叠结构的聚集体却可以发光。我们可以通过分子结构和性质的特性做很多事情,比如运用于阿尔茨海默病、肝硬化等疾病的医学诊断,辅助医生对患者实施药物治疗。

我们的身体和很多药物都是具有手性的,但是手性物质的制备通常很麻烦、很昂贵。能不能从非手性的分子拿到手性的聚集体呢?我们发现,其中一个分子,分子本身不是手性的,但它的聚集就有非常漂亮和显著的圆二色光谱,表示其形成了螺旋的手性聚集体。

我们现在思考的论题在哲学上叫做“涌现论”,从分子到聚集体,有新的现象产生。根据现在的有机观念,让一个有机分子发光,必须要有很大的π电子共轭。但是我们的身体、花、树等等生命体系里的物质,都没有很大的π电子体系,在分子层次不发光,它们聚集之后却也能闪闪发光。在生命健康领域,我们发现虽然单个分子没有功能,但分子聚集之后会产生活性性质,可以发热,甚至能用于杀死癌细胞。现在,我们从AIE的角度发展了许多研究领域,统称为聚集体科学。

分子科学基本上是还原论,即通过单个分子的研究去理解事物,但是我们今天讲的聚集体科学是整体论。从整体来看,分子之上拥有无限的研究空间,对聚集体的研究将为我们带来新的模型、新的假设、新的图景、新的理论,研究者们可以进行大量创新研究。

(作者系中国科学院院士、香港中文大学(深圳)理工学院院长,《中国科学报》记者刁雯蕙根据“翔龙鸣凤:科学与哲学对话”论坛报告整理,略有删减)

 
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