从生命科学的发展谈多学科交叉融合的必然性
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从生命科学的发展谈多学科交叉融合的必然性
雷正瑜
（湖北生态工程职业技术学院， 湖北武汉 430200） [摘 要 ] 本文通过对生命科学的发展过程及研究技术方法的分析， 借助自然辩证法的理论和观点， 论证了自然 科学发展过程中多学科交叉现象出现的必然性，探讨了交叉学科兴起的内在因素和深远意义。 [关键词] 交叉学科； 分子生物学； 哲学 [中图分类号] Q1-0 [ 文献标识码 ] A [文章编号 ] 0000-2157/SG (2006)02-0001-03
收稿日期： 2005-12-2 作者简介： 雷正瑜 （1970-） 女， ， 副教授， 研究方向为微生物。
纪生物学最重大的发现，该发现除集中了美国生物化 学家沃森(J． Watson ) 和英国物理学家克里克(F． D． Crick) 的天才智慧外， 射线衍射是重要的导因之一。威 X 尔金斯和他的同事获得了第一张良好的 DNA 纤维衍 射图像和保持 DNA 纤维结晶的必要条件， 他认为长形 的 DNA 分子有纵向排列的倾向， 所以容易变成纤维， 他断定 DNA 分子有螺旋卷曲的形状并指出制造 DNA 模型要符合 DNA 螺旋的直径和距离。为此， 沃森、 克 里克和威尔金斯分享了 1962 年诺贝尔生理学和医学 奖。由此可见，X 射线衍射技术是打开分子生物学大 门的金钥匙， 推动生物学进入分子水平。
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化学方法与生命科学的发展
1868 年， 瑞士青年米歇尔在德国拜化学家何普－
塞勒为师， 专攻细胞核的化学组成， 他收集外科诊所废 弃的带脓的绷带，小心从绷带上取下脓细胞。然后用 胃蛋白酶来分解这些脓细胞， 结果发现， 胃蛋白酶虽能 把细胞质中的蛋白质全部分解掉，可对细胞核却无能 为力。他对细胞核进行了细致的分析， 结果表明， 细胞 核主要是由一种含磷化合物所构成，它和蛋白质完全 不同。后来把这种物质命名为核酸。 1911 年，美国生物化学家列文发现了核酸里由 5 个碳原子组成的五碳糖分子。他指出，酵母核酸中的 五碳糖叫核糖，而胸腺核酸中的五碳糖比核糖少了一 个氧原子， 所以叫脱氧核糖。 1934 年， 列文又把核酸分解成一些最基本的单位， 叫核苷酸， 核苷酸按碱基 （嘧啶或嘌呤） 核糖 、 （或脱氧 核糖） 磷酸的顺序连接而成。 、 1948 年， 美国科学家查哥夫经过精密测定， 确定 单核苷酸在多核苷酸中的排列是相当复杂的。但不 论从哪里来的 DNA，腺嘌呤的摩尔数永远等于胸腺 嘧啶的摩尔数， 鸟嘌呤的摩尔数永远等于胞嘧啶的摩 尔数。 化学方法除揭示了核酸分子组成外，也揭示了蛋 白质和其他许多大分子的物质组成，所有这些成果都 促进了生命科学的飞速发展。
Some Thoughts on Necessity of Multi-subject Crossing and Combination along with Development of Life Sciences
LEI Zheng-yu
(Hubei Ecology Vocational College, Wuhan 430200, China) Abstract： necessity of multi-subject crossing and combination along with the development of physical science is The examined; the intrinsic factors and far reaching significance of the booming interdiscipline are discussed by analyzing the development of life sciences and the corresponding research approaches, and adopting theories and perspectives of dialectics of nature. Key words： interdiscipline; molecular biology; philosophy
究的重要工具和方法。纵观生命科学发展的历史， 数学对生命科学研究和发展的重要作用是不言而喻 的。孟德尔使用数理统计方法对豌豆杂交实验的数 据进行分析，揭示出相对性状分离和不同性状自由 组合的遗传实质。孟德尔的杰出贡献，一方面因为 孟德尔定律是遗传的基本规律， 另一方面他是第 1 位 将概率原理用于预测遗传杂交实验结果的科学家， 他所创立的 《植物杂交试验》 原理至今仍广泛地应用 于遗传学研究。1953 年， Watson 和 Crick 首次提出 DNA 分子双螺旋结构模型， 奠定了现代分子生物学 发展的基础，开辟了生命科学的新纪元。这个双螺 旋结构以其简洁和美的三维空间构像，成为当代生 物学和社会发展的现代象征。显然，建立模型的数 学思维方式和方法，是促使沃森和克里克取得研究 成功的重要方面之一。 在生态学发展的历史中，野外进行数量调查必须 应用数理统计学的原理，一些交叉学科如种群生物统 计学、数学生态学及生物数学分类法则应运而生。利 用数学手段， 描述种群数量动态及机制， 以及生态系统 内的能量流动和物质循环规律，并进行模拟和预测种 群行为和数量动态，或者估算出生态系统的生产力指 标。 伴随 DNA 的双螺旋结构的发现及其半保留复制 的证明， 人们一直关注生物信息的传递过程。计算机、 应用数学和信息科学就成了推动生命科学发展的主要 动力。 信息学是以信息论为基础， 与电子学、 计算机和 自动化技术、 数学、 生物学、 物理学和化学等学科相联 系而发展起来的一门新兴的科学， 其任务是研究各种 信息的性质， 受控机械、 生物和人类对相关信息的获 取、 转换、 传输、 处理、 利用和控制的一般规律， 以及设 计和制作各种信息器械， 以便将人脑从自然力的束缚 下解放出来， 提高人类认识自然和保持与自然和谐发 展的能力。信息技术的发展突飞猛进， 20 世纪 60 从 年代至今， 电子信息技术在各个领域中得到广泛的应 用， 并已深入千家万户和关联到每个人的生活 。 与此 同时，激光信息技术的优越性能使其得到迅速发展， 已经形成对电子信息技术的补充和强有力的挑战。 从 20 世纪 70 年代开始的生物信息技术， 已经在实验室 里研制出生物计算机模型。 生物计算机亦称 DNA 计 算机，它的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基 础， 利用酶的催化作用将反应过程进行分子编码， 当 信息在特制的生物芯片中沿着蛋白质分子链传递时，
纵观科学发展的历程， 许多新理论、 新发明的产生 以及新的工程技术的出现，常常涉及不同学科的相互 交流和相互渗透， 任何一门学科的发展都不是孤立的、 静止的， 而是相互联系、 相互交叉发展的。当代科学的 迅速发展越来越依赖于不同学科之间的交叉与融合， 学科交叉是科学发展的必然趋势，是增强科技创新的 重要途径。重视交叉学科将会使科学向着更深层次和 更高水平发展，这也符合自然界存在的客观规律。生 命科学是与人类社会关系最为密切的学科之一，在生 命科学的发展过程中， 由于其它科学技术的进步， 使生 命科学得到了突飞猛进的发展。生命科学之所以能成 为当今世界自然科学领域的领先学科，不仅依靠生物 学家， 还必须依靠数学家、 物理学家、 化学家、 信息科学 家、环境科学家以及工程科学家等不同学科专家的共 同努力。
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生物学与数学、 信息学和技术科 学协同发展
数学是研究现实世界Leabharlann Baidu空间形式和数量关系的
科学， 数学分析、 数理统计和数理逻辑是生命科学研
会引起分子链中单键与双键结构顺序的改变， 从而对 问题以新的 DNA 编码形式加以解答。 生物计算机一 旦研究成功， 必将推动计算机技术向着智能化方向发 展。 总之， 生命科学的发展过程以及研究技术和方法， 都充分表明了生命科学的发展是随着现代物理、 化学、 信息技术成果的渗透，诸多学科新思想和新概念的会 集，以及新技术和新方法的引入而逐步深化的。这一 事实也揭示出自然科学各层次各分支之间交叉的必然 性和相互补充、相互合作的必要性。学科交叉由单学 科交叉到多学科的综合渗透的发展过程，是人们对自 然的探索从宏观到微观，从定性到定量，从分析到综 合不断深化的结果。 生命科学所以在学科交叉中发 展，自然科学各学科之间的交叉学科的兴起，归根到 底是因为客观存在着的自然界的物质及其运动形式本 身是相互依存、 相互联系、 相互渗透、 相互贯通、 相互转
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物理学方法与生命科学的发展
1.1 显微技术的改进使生命科学进入细胞水平 早在 1665 年， 英国物理学家胡克在自制的显微镜 下观察到软木薄片是由许多蜂窝状的小结构组成的， 他将这些小结构命名为 “细胞” 这是细胞一词的第一 ， 次出现。从此许多科学家就试图在植物界和动物界中 寻找结构方面的基本单位。直到 19 世纪显微镜的制 造技术有了进步， 使显微镜的分辨率提高， 为动、 植物
化的。科学家所做的只不过是对自然界本来面目的正 确反映。 因此， 一切从事自然科学研究的工作者、 科学 家在科学实践中必须坚持辩证唯物主义的自然观，以 自然辩证法为研究向导，在不同领域互助合作，共同 研究， 才能在多学科的边缘地带、 交叉地带取得重大 成。 参考文献： [1]白燕.生物电化学在学科交叉中发展[J].科学技术与 辩证法,1997,14(3). [2] 王德彦. “分子生物学革命” 探析[J].自然辨证法通讯, 2003(5). [3] 徐瑞萍,刁生富.分子生物学中心法则的历史考察[J]. 南都学坛 （自然科学专号） ,1994(6). [4] 任衍钢,李秀华.X 射线衍射与分子生物学发展[J].生 物学通报,1998,33(1).
的微观结构的研究创造了条件。 世纪 30 年代， 19 一些 科学家在显微镜下观察到了细胞的细胞质、 细胞核、 细 胞壁等结构以及细胞质的运动，而且动物体内也发现 了细胞，这一时期的工作为细胞学说的建立创造了条 件。在 1838 － 1839 年，施莱登和施旺创立了细胞学 说， 即一切植物和动物都是由细胞构成的， 细胞是生命 的结构和功能的基本单位。细胞学说一经确立，马上 显示其强大的生命力， 大大促进了生物学的发展， 十几 年里迅速被推广，并日臻完善。细胞学说使千变万化 的生物界通过具有细胞结构这个共同的标准特征而统 一起来， 有力地证明了生物彼此之间存在着亲缘关系， 为生物进化理论奠定了基础。此后，在细胞学说的基 础上， 人们对生物界进行了更深人的研究， 发现了细胞 的全能性，即任何细胞都具有发育成完整个体的潜在 能力。根据这一理论， 人们发展了组织培养、 克隆技术 等高科技的现代生物技术。 1.2 X 射线衍射技术促使生物学深入到分子水平 打开分子生物学大门的重要技术之一是 X 射线的 衍射分析。X 射线首先是由德国物理学家伦琴（w.k. Rotgen） 发现的。 射线能沿直线传播并能穿过普通光 X 线不能穿过的致密物体，而且这种极短波的电磁辐射 具有在荧光屏或照相底片成像的特性。1912 年， 德国 物理学家劳厄 （M.V.Laue） 提出， 如果 X 射线是波长很 短的电磁波，那么晶体中各原子有规则的排列就可以 使 X 射线发生衍射。DNA 双螺旋模型的建立是 20 世
雷正瑜
（湖北生态工程职业技术学院， 湖北武汉 430200） [摘 要 ] 本文通过对生命科学的发展过程及研究技术方法的分析， 借助自然辩证法的理论和观点， 论证了自然 科学发展过程中多学科交叉现象出现的必然性，探讨了交叉学科兴起的内在因素和深远意义。 [关键词] 交叉学科； 分子生物学； 哲学 [中图分类号] Q1-0 [ 文献标识码 ] A [文章编号 ] 0000-2157/SG (2006)02-0001-03
收稿日期： 2005-12-2 作者简介： 雷正瑜 （1970-） 女， ， 副教授， 研究方向为微生物。
纪生物学最重大的发现，该发现除集中了美国生物化 学家沃森(J． Watson ) 和英国物理学家克里克(F． D． Crick) 的天才智慧外， 射线衍射是重要的导因之一。威 X 尔金斯和他的同事获得了第一张良好的 DNA 纤维衍 射图像和保持 DNA 纤维结晶的必要条件， 他认为长形 的 DNA 分子有纵向排列的倾向， 所以容易变成纤维， 他断定 DNA 分子有螺旋卷曲的形状并指出制造 DNA 模型要符合 DNA 螺旋的直径和距离。为此， 沃森、 克 里克和威尔金斯分享了 1962 年诺贝尔生理学和医学 奖。由此可见，X 射线衍射技术是打开分子生物学大 门的金钥匙， 推动生物学进入分子水平。
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化学方法与生命科学的发展
1868 年， 瑞士青年米歇尔在德国拜化学家何普－
塞勒为师， 专攻细胞核的化学组成， 他收集外科诊所废 弃的带脓的绷带，小心从绷带上取下脓细胞。然后用 胃蛋白酶来分解这些脓细胞， 结果发现， 胃蛋白酶虽能 把细胞质中的蛋白质全部分解掉，可对细胞核却无能 为力。他对细胞核进行了细致的分析， 结果表明， 细胞 核主要是由一种含磷化合物所构成，它和蛋白质完全 不同。后来把这种物质命名为核酸。 1911 年，美国生物化学家列文发现了核酸里由 5 个碳原子组成的五碳糖分子。他指出，酵母核酸中的 五碳糖叫核糖，而胸腺核酸中的五碳糖比核糖少了一 个氧原子， 所以叫脱氧核糖。 1934 年， 列文又把核酸分解成一些最基本的单位， 叫核苷酸， 核苷酸按碱基 （嘧啶或嘌呤） 核糖 、 （或脱氧 核糖） 磷酸的顺序连接而成。 、 1948 年， 美国科学家查哥夫经过精密测定， 确定 单核苷酸在多核苷酸中的排列是相当复杂的。但不 论从哪里来的 DNA，腺嘌呤的摩尔数永远等于胸腺 嘧啶的摩尔数， 鸟嘌呤的摩尔数永远等于胞嘧啶的摩 尔数。 化学方法除揭示了核酸分子组成外，也揭示了蛋 白质和其他许多大分子的物质组成，所有这些成果都 促进了生命科学的飞速发展。
Some Thoughts on Necessity of Multi-subject Crossing and Combination along with Development of Life Sciences
LEI Zheng-yu
(Hubei Ecology Vocational College, Wuhan 430200, China) Abstract： necessity of multi-subject crossing and combination along with the development of physical science is The examined; the intrinsic factors and far reaching significance of the booming interdiscipline are discussed by analyzing the development of life sciences and the corresponding research approaches, and adopting theories and perspectives of dialectics of nature. Key words： interdiscipline; molecular biology; philosophy
究的重要工具和方法。纵观生命科学发展的历史， 数学对生命科学研究和发展的重要作用是不言而喻 的。孟德尔使用数理统计方法对豌豆杂交实验的数 据进行分析，揭示出相对性状分离和不同性状自由 组合的遗传实质。孟德尔的杰出贡献，一方面因为 孟德尔定律是遗传的基本规律， 另一方面他是第 1 位 将概率原理用于预测遗传杂交实验结果的科学家， 他所创立的 《植物杂交试验》 原理至今仍广泛地应用 于遗传学研究。1953 年， Watson 和 Crick 首次提出 DNA 分子双螺旋结构模型， 奠定了现代分子生物学 发展的基础，开辟了生命科学的新纪元。这个双螺 旋结构以其简洁和美的三维空间构像，成为当代生 物学和社会发展的现代象征。显然，建立模型的数 学思维方式和方法，是促使沃森和克里克取得研究 成功的重要方面之一。 在生态学发展的历史中，野外进行数量调查必须 应用数理统计学的原理，一些交叉学科如种群生物统 计学、数学生态学及生物数学分类法则应运而生。利 用数学手段， 描述种群数量动态及机制， 以及生态系统 内的能量流动和物质循环规律，并进行模拟和预测种 群行为和数量动态，或者估算出生态系统的生产力指 标。 伴随 DNA 的双螺旋结构的发现及其半保留复制 的证明， 人们一直关注生物信息的传递过程。计算机、 应用数学和信息科学就成了推动生命科学发展的主要 动力。 信息学是以信息论为基础， 与电子学、 计算机和 自动化技术、 数学、 生物学、 物理学和化学等学科相联 系而发展起来的一门新兴的科学， 其任务是研究各种 信息的性质， 受控机械、 生物和人类对相关信息的获 取、 转换、 传输、 处理、 利用和控制的一般规律， 以及设 计和制作各种信息器械， 以便将人脑从自然力的束缚 下解放出来， 提高人类认识自然和保持与自然和谐发 展的能力。信息技术的发展突飞猛进， 20 世纪 60 从 年代至今， 电子信息技术在各个领域中得到广泛的应 用， 并已深入千家万户和关联到每个人的生活 。 与此 同时，激光信息技术的优越性能使其得到迅速发展， 已经形成对电子信息技术的补充和强有力的挑战。 从 20 世纪 70 年代开始的生物信息技术， 已经在实验室 里研制出生物计算机模型。 生物计算机亦称 DNA 计 算机，它的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基 础， 利用酶的催化作用将反应过程进行分子编码， 当 信息在特制的生物芯片中沿着蛋白质分子链传递时，
纵观科学发展的历程， 许多新理论、 新发明的产生 以及新的工程技术的出现，常常涉及不同学科的相互 交流和相互渗透， 任何一门学科的发展都不是孤立的、 静止的， 而是相互联系、 相互交叉发展的。当代科学的 迅速发展越来越依赖于不同学科之间的交叉与融合， 学科交叉是科学发展的必然趋势，是增强科技创新的 重要途径。重视交叉学科将会使科学向着更深层次和 更高水平发展，这也符合自然界存在的客观规律。生 命科学是与人类社会关系最为密切的学科之一，在生 命科学的发展过程中， 由于其它科学技术的进步， 使生 命科学得到了突飞猛进的发展。生命科学之所以能成 为当今世界自然科学领域的领先学科，不仅依靠生物 学家， 还必须依靠数学家、 物理学家、 化学家、 信息科学 家、环境科学家以及工程科学家等不同学科专家的共 同努力。
3
生物学与数学、 信息学和技术科 学协同发展
数学是研究现实世界Leabharlann Baidu空间形式和数量关系的
科学， 数学分析、 数理统计和数理逻辑是生命科学研
会引起分子链中单键与双键结构顺序的改变， 从而对 问题以新的 DNA 编码形式加以解答。 生物计算机一 旦研究成功， 必将推动计算机技术向着智能化方向发 展。 总之， 生命科学的发展过程以及研究技术和方法， 都充分表明了生命科学的发展是随着现代物理、 化学、 信息技术成果的渗透，诸多学科新思想和新概念的会 集，以及新技术和新方法的引入而逐步深化的。这一 事实也揭示出自然科学各层次各分支之间交叉的必然 性和相互补充、相互合作的必要性。学科交叉由单学 科交叉到多学科的综合渗透的发展过程，是人们对自 然的探索从宏观到微观，从定性到定量，从分析到综 合不断深化的结果。 生命科学所以在学科交叉中发 展，自然科学各学科之间的交叉学科的兴起，归根到 底是因为客观存在着的自然界的物质及其运动形式本 身是相互依存、 相互联系、 相互渗透、 相互贯通、 相互转
1
物理学方法与生命科学的发展
1.1 显微技术的改进使生命科学进入细胞水平 早在 1665 年， 英国物理学家胡克在自制的显微镜 下观察到软木薄片是由许多蜂窝状的小结构组成的， 他将这些小结构命名为 “细胞” 这是细胞一词的第一 ， 次出现。从此许多科学家就试图在植物界和动物界中 寻找结构方面的基本单位。直到 19 世纪显微镜的制 造技术有了进步， 使显微镜的分辨率提高， 为动、 植物
化的。科学家所做的只不过是对自然界本来面目的正 确反映。 因此， 一切从事自然科学研究的工作者、 科学 家在科学实践中必须坚持辩证唯物主义的自然观，以 自然辩证法为研究向导，在不同领域互助合作，共同 研究， 才能在多学科的边缘地带、 交叉地带取得重大 成。 参考文献： [1]白燕.生物电化学在学科交叉中发展[J].科学技术与 辩证法,1997,14(3). [2] 王德彦. “分子生物学革命” 探析[J].自然辨证法通讯, 2003(5). [3] 徐瑞萍,刁生富.分子生物学中心法则的历史考察[J]. 南都学坛 （自然科学专号） ,1994(6). [4] 任衍钢,李秀华.X 射线衍射与分子生物学发展[J].生 物学通报,1998,33(1).
的微观结构的研究创造了条件。 世纪 30 年代， 19 一些 科学家在显微镜下观察到了细胞的细胞质、 细胞核、 细 胞壁等结构以及细胞质的运动，而且动物体内也发现 了细胞，这一时期的工作为细胞学说的建立创造了条 件。在 1838 － 1839 年，施莱登和施旺创立了细胞学 说， 即一切植物和动物都是由细胞构成的， 细胞是生命 的结构和功能的基本单位。细胞学说一经确立，马上 显示其强大的生命力， 大大促进了生物学的发展， 十几 年里迅速被推广，并日臻完善。细胞学说使千变万化 的生物界通过具有细胞结构这个共同的标准特征而统 一起来， 有力地证明了生物彼此之间存在着亲缘关系， 为生物进化理论奠定了基础。此后，在细胞学说的基 础上， 人们对生物界进行了更深人的研究， 发现了细胞 的全能性，即任何细胞都具有发育成完整个体的潜在 能力。根据这一理论， 人们发展了组织培养、 克隆技术 等高科技的现代生物技术。 1.2 X 射线衍射技术促使生物学深入到分子水平 打开分子生物学大门的重要技术之一是 X 射线的 衍射分析。X 射线首先是由德国物理学家伦琴（w.k. Rotgen） 发现的。 射线能沿直线传播并能穿过普通光 X 线不能穿过的致密物体，而且这种极短波的电磁辐射 具有在荧光屏或照相底片成像的特性。1912 年， 德国 物理学家劳厄 （M.V.Laue） 提出， 如果 X 射线是波长很 短的电磁波，那么晶体中各原子有规则的排列就可以 使 X 射线发生衍射。DNA 双螺旋模型的建立是 20 世