交叉學科與諾貝爾獎

郭興

1993年的諾貝爾生理學或醫學獎得主之一、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學獎，諾貝爾化學獎的一半都發給了生物學家，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容。

到了21世紀，除2016年的化學獎外，已頒發的15次化學獎中，與生物相關（生物化學）內容更是高達10次，占2/3，以致化學專業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，因為純粹的傳統四大化學——無機化學、有機化學、物理化學和分析化學研究內容獲獎加起來還不如生物化學一個學科的內容獲獎的多。

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形分子，從而啟動了分子機器研發的第一步。

1991年，斯托達特研究出輪烷，并將這個環形分子套在一個線性分子上，該環形分子能夠以線性分子為軸移動，從而完成分子機器研發的第二步。此后，他以輪烷為研究基礎，研發出分子起重機、分子肌肉和分子計算芯片。

1999年，費林加研究出分子旋轉葉片，能同向持續旋轉，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。此外，他還設計出一輛納米汽車。至此，分子機器研發初步成功。

盡管在化學專業的研究人員看來，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，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容，并非純化學血統，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，而是有多學科雜交血緣關系。

醫學與物理學和化學的結合

生物醫學與化學結合的研究成果可以獲得諾貝爾獎，生物醫學與物理學結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學獎授予計算機X射線斷層照相術（CT）的首創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學的結果。

不過，另一項物理學成果應用于醫學而獲得諾貝爾生理學或醫學獎更能體現物理與醫學的結合，這就是2003年的諾貝爾生理學或醫學獎，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，因為他們發明了磁共振成像技術（MRI），而這已經是很早以前的發明了。這項技術的發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的器官，從而有利于診斷和治療疾病。

磁共振成像技術既是物理學與醫學的結合，也是交叉學科能產生豐富成果的有力證明。能精確觀察人體內部器官而又不造成傷害的影像對于醫療診斷、治療和治療后的隨訪至關重要。磁共振成像技術是一種創新，這一發現能讓醫生看清體內不同組織結構，而且這樣的發現發展了當代磁共振成像技術，因此MRI代表著醫療診斷和研究的革命性突破。

在磁共振成像發明之前，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象，對于帶有不配對的質子和（或）中子的每種原子核，存在一種數學上的常數。這就有可能確定磁場的波長，以作為磁場強度的函數。早在1946年，美國的費利克斯·布洛克和愛德華·米爾斯·珀塞爾對質子（所有原子的最小物質）研究時就證明了上述現象。為此他們共同獲得1952年的諾貝爾物理學獎。

磁共振成像技術的原理在于，一個強磁場中的原子核會以一定的頻率轉動，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，無線電波就會發射出來。