发布日期：2024-11-04 21:51 点击次数：190
摘 要：多学科酌量在当代科学的发展中演出着要紧扮装，呈现出三种主要形态。第一种形态是交叉学科酌量，往往通过不同学科之间的高度交融而变周全新的学科，如物理学、化学与生物学交叉变成了分子生物学。第二种形态是汇聚酌量bad news 丝袜，即不同学科的专科学问和时间进行集成和调和，用以惩办触及多个领域之间的界面上要紧科学问题或者社会挑战。第三种形态是现时大数据期间所独到的——数据驱动型酌量，它期骗大数据过火相应的时间买通或者跨越各门学科的畛域，进而不错开展跨领域的酌量。
在线伦理片要道词：多学科酌量；交叉学科酌量；汇聚酌量；数据驱动型酌量
中国科教领域最近迎来了一个发展多学科酌量的激越。2020年8月，国务院学位委员会会议决定，将“交叉学科”定为中国教师体系中的第14个学科门类；教师部网站随后公布了160所高校提交的549个交叉学科备案名单。同庚11月，国度当然科学基金委员会负责成立“交叉科学部”，负责统筹交叉科学领域基金资助等相关使命。2021年1月，国务院学位委员会、教师部发布《对于建立“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国度安全学”一级学科的告知》，除了以法例的体式负责建造了“交叉学科”之地位，还初度批准竖立了属于该门类的两个一级学科。
关联词，对很多东谈主而言，多学科酌量的具体内涵并不一定很清爽，往往浅薄地牵强附会，和会为只须触及到两个或多个学科的酌量就不错称为交叉学科酌量。从教师部公布的交叉学科备案名单就不错看到这个问题的存在。最初，很多高校冷落了一样的交叉学科称呼，但触及到的一级学科却各不一样，如“生物信息学”行为一门交叉学科被3所高校列入其交叉学科名单中，可是，3所高校在其触及到的一级学科却有着不同的内容：A学校标出“生物学、数学”；B学校给出“生物学、生物医学工程，基础医学”；C学校则冷落“数学、生物学、规划机科学与时间”。此外，另有一所学校在“医学生物信息学”的称呼下列入3个一级学科：数学、限度科学与工程、基础医学；还有一所学校在“生物信息时间”的称呼下给出这么3个一级学科：限度科学与工程、规划机科学与时间、生物医学工程。其次，有些光显不应该属于交叉学科规模，如一所医学院校把“包虫病学”列入“交叉学科”，触及到基础医学、临床医学、各人卫生与着重医学、药学、各人握住等5个一级学科。按照这种逻辑，任何一种疾病的酌量王人不错称之为一门“交叉学科”，因为至少要触及到临床医学和药学两个一级学科。让东谈主更为记挂的是，有的单元对交叉学科的定名比拟松驰，“生物功能分子学”是酌量什么？从字面上看，与生物学相关，但在学校列出的相关一级学科里，包括了化学、药学、基础医学、食物科学与工程，唯有莫得生物学。
从术语称谓来看，“多学科酌量”一词的英文为Multidisciplinary Research，常常与“交叉学科酌量”（Interdisciplinary Research）混用；而“交叉学科”则往往有一个非规范的英文名词“Interdiscipline”，并只怕等同于“交叉科学”（Interdisciplinary Science）；连年来新兴的“汇聚科学”（Convergence Science）也常常被用来代表“交叉科学”。
从科学发展史来看，多学科酌量是20世纪推动科学和时间发展的主要能源；干涉21世纪，多学科酌量的要紧性只增不减。通过对生命科学发展历程的梳理，笔者分析了多学科酌量具有的主要形态过火相应的特征，进而揭示出多学科酌量在科学程度中的扮装各种性以及对科研范式影响的复杂性。
1 高度整合的交叉学科酌量
跟着化学的发展，尤其是19世纪初期化学的一个分支学科——有机化学在欧洲的变成，酌量者启动把化学与生物学整合在一齐，如那时的德国也曾出现了Zeitschrift fur Physiologische Chemie（《生理化学杂志》）这么较着具有交叉学科颜色的科学期刊。1905年的好意思国也出生了一册相似的期刊——Journal of Biological Chemistry（《生示寂学杂志》）；在该杂志的第一届编委会成员中，一位来自伯克利大学的科学家娄伯（Loeb J）在给主编的信中抒发了他对学科交叉的信念：“生物学的将来建立在从化学的角度来酌量生物学问题”[1]。
这种交叉学科最初体当今对生命本质的酌量之上。早期的酌量者合计，生物体的组成材料与非生物体的有着根柢的区别，前者称为有机物，后者称为无机物，且前者只可来自生物体而不可东谈主为地用后者合成。1828年，德国化学家维勒（Wohler F）初度在实验室用氰酸和氨水两种无机分子合成了一种有机分子“尿素”，从而明白注解了组成生命的物资和非生命的之间并莫得一个不可逾越的界限。酌量者由此启动了对生物体的核酸、卵白质、糖和脂类等各种生物分子的酌量；随后出生了一门化学与生物学高度整合的交叉学科——生示寂学（Biochemistry）；它被《大英百科全书》界说为：触及发生在植物、动物和微生物的化学物资和历程的科学酌量领域。也便是说，在酌量者的眼里，生命只不外是化学酌量中一种特定的对象，它的存在过火功能王人建立在其组成材料以及组成花式之上。
生命科学领域中最要紧的交叉学科是出生于20世纪中世的分子生物学。20世纪40年代，奥地利物理学家薛定谔（Schrodinger E）发表了《生命是什么》一书；他在书中明确冷落，生命和非生命一样，“在它里面发生的事件必须战胜严格的物理学定律”[2]；因此，酌量者不错通过物理和化学的时间和设施来酌量生物体的属性或特征。最有代表性的是好意思国化学家鲍林（Pauling L）对卵白质空间结构的酌量；他应用量子化学和X射线晶体学时间分析了卵白质上相接氨基酸残基的肽键（C—N键），合计肽键具有部分双键的性质而不可开脱旋转，导致相接肽键两头6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，称为“肽键平面”；他在此基础上进一步冷落，卵白质内的各个肽键平面之间不错通过相接它们的α-碳原子进行旋转，从而不错变成α螺旋等二级结构。此外，知名的DNA双螺旋结构也一样是在物理学家、化学家和生物学家的戮力齐心下得以汇报；而遗传密码的主要冷落东谈主则是知名的物理学家伽莫夫（Gamow G）。由此可见，分子生物学是高度整合了物理学、化学和生物学的一门交叉学科（图1A）。
图1 多学科酌量的三种形态
分子生物学的到手使得收复论念念维成为了当代生命科学的主流设施论。在分子生物学家建构的生命科学大厦里，所有酌量对象不管是浅薄的原核生物如故复杂的动植物，王人不外是一架按照物理和化学国法运转的“分子机器”；酌量者的任务便是从分子层面去意志和揭示这种国法，即寻找分子机器运行的因果关系。对收复论者而言，生命科学的主要筹划频繁便是去酌量相关某种生理或病理行动的因果关系之科学假定。因此，建立在分子生物学基础上的当代生命科学遴选的就恰是这种“假定驱动”的酌量范式。好意思国知名肿瘤生物学家温伯格（Weinberg R）在一篇题为“假定优先”的著作中作念过一个很好的归来：“在20世纪，生物学从传统的刻画性科学更始成为一门假定驱动的实验科学。与此简陋策动的是收复论占据了统率地位，即对复杂生命系统的和会不错通过将其拆解为组成的零部件并一一地拿出来进行酌量”[3]。
2 简陋协同的汇聚科学酌量
尽管多学科酌量推动了生示寂学和分子生物学等交叉学科的出生，进而使得生命科学在20世纪下半叶取得了巨大的发展，但酌量者还但愿要进一步进步多学科酌量的身手，以知足齰舌东谈主类健康和驻扎环境沾污等要紧社会需求。2001年末，好意思国的国度科学基金会（NSF）等政府部门围绕着“汇聚四大时间，进步东谈主类身手”的主题，举行了一次科学家与政府官员等各界东谈主物参与的接头会，在会议上初度冷落了“汇聚时间”（Converging Technologies）的办法，并绝顶强调了来自四个科学时间领域协同作用的“汇聚时间”——纳米时间、生物时间、信息时间和明白科学（其简化英文的联式为Nano-Bio-Info-Cogno，缩写为NBIC）。NSF基于此次会议编写了一份答复：《进步东谈主类身手的汇聚时间》。
汇聚科学酌量的筹划与20世纪生物学领域的交叉学科酌量的筹划有较着的区别。后者是要揭示生命的行动国法，属于基础酌量领域；而前者则是要提高社会的创新身手或知足社会要紧需求，属于应用酌量领域。举例，好意思国麻省理工学院（MIT）在2016年发布了一份答复，题目便是“汇聚：健康酌量领域的将来”（Convergence: The Future of Health）。在好意思国科学家夏普（Sharp PA）等东谈主看来，分子生物学和基因组学是当年生物医学领域的两次立异，而汇聚酌量则代表第三次生物医学立异，“工程师和物资科学酌量者将与生物学家和大夫一谈去解答庞大新的医学挑战”[4]。他们还绝顶通过“组织工程”（Tissue-Engineering）为例守护了汇聚酌量与交叉学科酌量的不同：“这不同于典型的交叉学科形态（Interdisciplinary Situation）——把一种细想法细胞类型给工程师或者让工程师约略细目在某种生物系统中什么样的材料是灵验的；相背，这种（组织工程）从一启动就要进行多学科合作（Multidisciplinary Collaboration），所有的参与者王人要有共同的参考点停火话。这一领域要是莫得汇聚设施（Convergence Approach）是不会存在的”[4]。
汇聚酌量的一个要紧特质是对工程学的强调，这与汇聚酌量偏重应用的筹划是高度一致的。举例，好意思国科学院酌量理事会2014年发表的计谋答复的题目便是“汇聚不雅：推动跨学科交融——生命科学与物资科学和工程学等学科的跨界”。工程学的介入不仅推动酌量使命干涉应用领域，并且约略产生具有工程特色的效果，如好意思国科学家夏普等东谈主在褒贬著作“终了汇聚在卫生保健中的价值：整合物资科学、工程学和生物医学”中指出：工程学在生物相容性材料和纳米时间领域发展了全新的策略，这种策略在促进卫生保健方面具有前所未有的后劲[5]。
汇聚酌量的另外一个要紧特质是对时间的强调，一方面是高度爱重时间在应用层面的价值，如“NBIC”汇聚时间的冷落，体现出围绕着汇聚酌量筹划的科学与时间外皮的一体化；另一方面还强调了不同学科的时间在股东交叉酌量自己的价值——包括实验仪器和材料、分析设施和时间等，即预防酌量历程中科学与时间内在的一体化，从实验对象到实验操作再到实验扫尾。由此不错看到，新兴的交叉学科如“化学生物学”（Chemical Biology）和“物理生物学”（Physical Biology）等与传统的交叉学科如“生示寂学”（Biochemistry）和“生物物理学”（Biophysics）有着巨大的离别；前者强调酌量者应用化学和物理的相关时间来开展生物学酌量，如化学生物学的一位首创东谈主曾这么说过：咱们的筹划是为每一个基因找到相应的小分子化合物，用它们来分析细胞和有机体的功能；Nature Chemical Biology（《当然·化学生物学》）创刊时发表的社论是这么说的：“化学生物学行为一个新领域，是植根于化学家和生物学家简陋合作带来的时间高出之上”[6]。
汇聚科学酌量的这些特质指示咱们，这光显是不同于交叉学科酌量形态的另一种多学科酌量形态。前者往往通过不同学科之间的高度整合而变周全新的交叉学科，如生示寂学或分子生物学；此后者则进展为不同学科之间的互相调和，如化学生物学或物理生物学。汇聚科学酌量强调的不是学科间的“交叉”，而是不同学科的“汇聚”（比拟图1A和1B）。换句话说，各门学科代表了不同的专科化单干，而汇聚酌量则是把这些专科中相关的时间和表面进行集成，以便针对齰舌健康或设备新能源等国度/社会的要紧需求去建立或发展新的时间设施。正如好意思国科学院对于汇聚酌量的计谋答复所指出的那样：“汇聚不雅体现了一种交叉学科酌量的膨胀体式，专科学问组成了酌量行动的‘宏不雅’模块，而各个‘宏不雅’模块又组合变成一个更大的合座”[7]。
3 跨越畛域的数据驱动型酌量
21世纪之初东谈主类基因组规划的实施推动生命科学干涉了大数据期间。东谈主的基因组领有30亿个碱基对，即绝顶于3 GB的数据；面前国外上储存的个体基因组序列的数据量已卓越百万东谈主级；数据科学家算计到2030年时，每年全国范围内产生的基因组数据将为25 PB（1 PB=1015 Byte）[8]。大数据在医疗健康领域则有更较着的增长，如好意思国国立肿瘤酌量所的基因组数据平台在2016年景立之后的第一年内，就收到了酌量者提交的4.5 PB的数据[8]。据统计，全国范围内产生的医疗健康数据在2013年简陋为153 EB（1 EB=1018 Byte），而在2020年算计将增长到2 314 EB[8]。要是说有什么是21世纪的生命科学乃至通盘科学比20世纪高出的绚丽，那便是数据的获取和数据的期骗。
生物医学大数据不仅为东谈主类意志和校正全国提供了巨大的资源，并且调动了生命科学和医学的多学科酌量范式，其典型代表恰是东谈主类基因组规划。该项规划也属于多学科交叉酌量，其实施历程需要依靠新式测序仪器和试剂的研发，以及海量数据的处理与分析等，触及到物理学、化学、生物学、信息科学和数学等多个学科。但与假定驱动的学科交叉酌量不一样的是，该项规划属于“发现的科学”（Discovery Science），是要取得相关东谈主体细胞基因组的全部核苷酸序列的数据。也便是说，这项酌量进展出了一种新的酌量范式——数据驱动的酌量范式，开展酌量的起点不是科学假定，而是高通量的数据采集身手；而酌量的筹划也不是去惩办某个具体的科学问题，而是要去获取海量的数据。
数据驱动的酌量范式有一个要紧的特征：“迭代”（Iterate），即每一次酌量使命不错是一种不完备的阶段性使命，然后在前期酌量扫尾的基础上反复地进行完善，通过屡次酌量逐步靠拢预定的总体筹划。东谈主类基因组规划较着具有这种“迭代”特征，尽管其终极筹划是揭示东谈主类基因组的所有核酸序列，但在2001年2月发表的东谈主类基因组测序效果只不外是一个阴私了基因组90%核酸序列的“草图”；2004年10月在Nature杂志上发表了东谈主类基因组全图的论文，也只给出了常染色质区域内简陋99%核酸序列的测定扫尾。事实上，东谈主类基因组的核酸序列中于今仍然存在很多高度重迭序列区域（如中心粒）莫得被测定；2020年9月，酌量者终于在《当然》周刊上发表了东谈主类第一条齐全的、莫得测序“缺口”的染色体的核酸序列，但仍然还有22条东谈主类染色体上的序列“缺口”待酌量者去补测。不久前，一个比“东谈主类基因组规划”更为高大的“东谈主类细胞图谱”（Human Cell Atlas，HCA）酌量规划负责启动，其基本筹划是，通过各种单细胞分析时间来轻易东谈主体领有的40到60万亿个体细胞中的所有细胞类型；其遴选的主要酌量策略也较着具有“迭代”特征[9]。
数据驱动的酌量范式的另一个要紧特征是酌量的“灵通性”，即不受已有表面框架的截至。20世纪生命科学的主流是假定驱动的酌量范式，以惩办具体的科学问题为主要筹划；其酌量使命的开展是依赖于既有的表面框架，从而使得酌量者在事实的聘用和和会方面孔易受限于联结酌量的表面框架。而数据驱动的酌量范式则不仅约略让酌量者幸免表面框架带来的主不雅偏见，并且不错匡助其发当今假定或者现存表面范围以外的全新学问。正如好意思国生物学家戈卢伯（Golub T）在一篇题为“数据优先”的著作中所指出的：“要是莫得取得全面的肿瘤基因组数据，将难以分裂信号和杂音。尽管假定驱动的实验科学依然处于酌量领域的中心位置，但不带偏好的肿瘤全基因组测序将提供前所未有的契机去催生新的想法”[10]。
数据驱动的酌量范式的“灵通性”特征，使得酌量使命从追求事物之间的因果关系更始为寻谋事物之间的相关性。这就导致了当年看上去相互没相策动的学科产生了全新的策动，如谷歌的工程师设备了一种算法，不错字据每天汇总的谷歌搜索数据近乎及时地对流感疫情进行揣度；其预告流感爆发的地域性和时效性媲好意思国疾控中心报的更好[11]。即使是复杂的东谈主类行径，也不错通过大数据的分析和规划来进行酌量；为此10年前也曾出现了一门相应的交叉学科——“规划社会科学”（Computational Social Science）[12]。这种基于大数据的跨学科酌量变成了多学科交叉酌量的第三种形态，期骗数据科学来买通或者跨越各门学科的畛域（图1C）。国外知名的生命科学期刊Cell在2020年创立了一个以数据科学为纽带的多学科酌量的子刊Patterns，其主编在发刊词里这么写到：“Patterns将通过数据科学时间的分享来恣虐各门学科的畛域，这些数据科学时间不错用来惩办跨领域的问题”[13]。
更要紧的是，数据驱动的酌量范式行为一种超越表面框架的“灵通式科学”，其酌量产生的资源和数据不错被平时地用于酌量各种各类的科学问题；如汇集了50万英国东谈主的生物样本和健康医学数据的“英国生物资源库”（UK Biobank），自2012年建成于今，也曾用于营救过全国列国数万名酌量东谈主员的酌量使命，仅2018年度期骗该库开展酌量的科学家就有4 000多东谈主，发表了触及到健康医学各个方面近300篇酌量论文。换句话说，这种“灵通性”使得数据驱动的酌量范式之组织模式较着不同于假定驱动的酌量范式，前者强调庞大酌量者之间的合作、疏浚和分享；此后者则更预防以技俩负责东谈主（Principle Investigator，PI）为主导的“个东谈主强人主义”式的酌量；正如最近的一篇褒贬著作所指出的：传统的超卓不雅是珍重天才而与社会环境无关；这种对超卓的狭小看法导致了资源聚拢到已获招供的科学家手中，进而截至了科学的高出和新念念想的产生以及多学科酌量领域的发展[14]。2020年12月，好意思国科学院发表了一份计谋答复《无绝顶的前沿——科学的将来75年》，在其论断中绝顶指出：科学激发轨制应该是一种“共赢游戏”（Positive-Sum Game）而非“零合游戏”（Zero-Sum Game）[15]。光显，数据驱动的酌量范式正在推动科学酌量的生态环境发生立异性的调动。
参考文件
[1] Edsall JT. The Journal of Biological Chemistry after seventy-five years. Journal Biological Chemistry, 1980, 255(19): 8939—8951.
[2] 埃尔温·薛定谔. 生命是什么. 罗来鸥, 罗辽复, 译. 长沙: 湖南科学时间出书社, 2003: 8.
[3] Weinberg R. Point: Hypotheses first. Nature, 2010, 464(7289): 678.
[4] Sharp PA, Langer R. Promoting convergence in biomedical science. Science, 2011, 333(6042): 527.
[5] Sharp P, Jacks T, Hockfield S. Capitalizing on convergence for health care：Integrate
作家：吴家睿,中国科学院分子细胞科学超卓创新中心酌量员；现任国科大杭州高级酌量院生命与健康科学学院施行院长，中国科学院系统生物学要点实验室主任。担任Journal of Molecular Cell Biology主编，BMC Systems Biology和Frontiers in Systems Physiology副主编，《医学与玄学》和《生命的化学》副主编，中国生示寂学与分子生物学会分子系统生物学专科委员会主任委员。国度特出后生科学基金取得者，中国科学院“百东谈主规划”入选者；上海市领军东谈主才入选者。发表学术论文100多篇。
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