從成熟和極致到跨越和交叉

施郁

考察2022年三項諾貝爾科學獎的獲獎成就，我發現有一個共同特點，那就是，對于自然界某個層次的研究做到成熟和極致，導致向另一層次的跨越和交叉。這體現了科學的還原論和層展論的統一，是交叉學科形成的一個機制，說明當代自然科學發展良好，孕育著更大的突破。

物理學獎授予阿斯佩（Alain Aspect）、 克勞澤（John F. Clauser）和蔡林格（Anton Zeilinger）。他們的糾纏光子實驗證明了大自然違反貝爾不等式，并使量子糾纏成為有力工具，為量子信息科學和量子科技新時代打下基礎。

1969年，為了適應實際的實驗，克勞澤與三位合作者推廣了貝爾不等式，叫作CHSH不等式。1972年，他和另一位合作者做了個實驗，證明確實違反CHSH不等式。但這個實驗中存在一些漏洞。1982年，阿斯佩與合作者的實驗中，一對糾纏光子離開源后，一對儀器的測量方式各自隨機變化，以排除隱藏關聯的可能性。但是這兩個儀器的距離不夠大。1997年，蔡林格研究組的實驗中，兩個糾纏粒子的測量儀器相距400米，補上了局域性漏洞。后來，蔡林格研究組還用糾纏光子實現了量子隱形傳態和糾纏交換等量子信息過程。

量子糾纏已經成為很多量子信息過程的基礎。對量子糾纏的確立，使它得以從物理的層次跨越到信息的層次，開辟了量子信息科學這一交叉學科。

化學獎授予貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi）、夏普利斯（Barry Sharpless）和梅爾達爾（Morten Meldal）。夏普利斯和梅爾達爾為咔噠化學（即所謂“點擊化學”）打下基礎，將化學帶入功能主義時代。貝爾托西將咔噠化學應用到生物體，繪制聚糖分子的圖譜，開創了生物正交化學。生物正交反應不干擾細胞的正常化學反應，所以被廣泛用于研究細胞里的化學過程，以及改進癌癥藥物的靶向性。

夏普利斯2000年左右提出咔噠化學的概念，使得分子基元可以很快很有效地扣在一起大大提高分子制備的效率和規模。他用具有碳框架的小分子，通過氮原子或氧原子鏈接起來。此后不久，梅爾達爾和夏普利斯各自獨立地發現銅離子催化的疊氮化物-炔烴環加成反應。炔烴與疊氮化物反應，生成三唑環狀結構。疊氮化物就像一個彈簧，由銅離子放出力，過程很穩定。在兩個分子上分別引入疊氮化物和炔，借助銅離子，就可以扣在一起。 這被稱為理想咔噠反應，得到廣泛應用，比如在制藥中。貝爾托西將此反應用于活細胞。通過迫使炔烴形成環狀結構，應變導致反應，扣住疊氮化物，而不需銅離子（有毒）。熒光分子附在疊氮化物上，顯示聚糖在細胞表面的位置。

咔噠化學和化學功能主義，正如工程中廣泛存在的模塊化，大大提高效率，實現了層次的跨越。

生理學或醫學獎授予帕博（Svante P??bo），獎勵他關于滅絕的古人類的基因組以及人類演化的發現。他開創了古基因組學，對已經滅絕的尼安德特人的基因組進行了測序，還發現了另一種已經滅絕的古人類丹尼索瓦人，而且人類7萬年前走出非洲后，從這兩種古人類都得到過基因，這影響了我們的免疫系統對感染的應答。 他通過比較智人與其他已經滅絕的古人類的基因，揭示我們之所以為人的基礎。

他的成功建立在做到精致的遺傳學技術基礎上，克服了巨大困難。比如古DNA的量非常小，還被細菌和當代人污染。他分析了尼安德特人的線粒體DNA（只有一小部分遺傳信息，但是有數千個復本）。他和同事又改進從古骨遺骸中分離和分析DNA的方法，還采用新的測序技術，并結合種群遺傳學和高級序列分析的方法。這些技術促使他的團隊完成尼安德特人的基因組測序，發現智人與丹尼索瓦人和尼安德特人的相遇和雜交。

正是遺傳學的成熟和技術精致，使得遺傳學跨越學科層次，成為人類學的工具。