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人类在认识和理解物质世界的过程中，将自然划进了不同学科系统的“疆域”；而当更加深刻的科学问题出现时，单一的学科系统往往显得力不从心。

如今，交叉学科的发展应用已经为科学打开一扇新的窗口。这一划时代的趋势，既为青年研究者带来了丰富的机遇，也令他们不得不面对诸多现实而迫切的问题。

 

 

2019 年 12 月的一天，在马里亚纳海沟的万米深渊中，一束来自深海着陆器的光线打破了这里的黑暗与静谧。在被这束光照亮的区域，一只中国制造的仿生软体机器鱼在 1000 个大气压的环境中拍动双翼，这一过程持续了足足 45 分钟。在此之前，这只机器鱼已经在多次深海试验中成功地自由遨游。这一次，在压强超过 1000 个大气压的地球最深处，它证明了自己即使是在极端高压的深海环境中，也能顺利启动。

 

2021 年 3 月，这只机器鱼登上了国际顶级期刊《自然》杂志的封面。同时出现在这张封面图上的，还有一条马里亚纳狮子鱼（Pseudoliparis swirei）。这项研究的通讯作者、浙江大学航空航天学院的李铁风教授表示，他们的成果离不开这条生活在深海里的真正的鱼。

 

要想在万米深海正常运行，传统机器人需要坚硬的盔甲来抵御超过 1000 个大气压的压强。但是，这项研究却另辟蹊径，研究团队从深海的狮子鱼身上获得了启发。浙大团队的合作者、中科院深海研究所的海洋生物学家们从马里亚纳海沟捕捉到深海狮子鱼的样本后，从中找到了它们适应高压环境的秘诀：深海狮子鱼的骨骼细碎地分布在凝胶状的柔软身体中，这样的构造有助于其在高压环境下的生存与活动。

 

在马里亚纳海沟拍摄到的马里亚纳狮子鱼（图片来源：Gerringer M. E., Linley T. D., Jamieson A. J., Goetze E., Drazen J. C./CC BY 3.0）

 

就这样，研究软体机器人的李铁风团队找到了突破口。他们决定不再去用坚硬的外壳去抵抗压力，而是模拟狮子鱼“以柔克刚”的策略。为此，他们与生物工程学家合作，研制出能适应深海高压和低温环境的电驱动人工肌肉，并模拟狮子鱼的骨骼，将硬质器件集成在凝胶状的软体机身中。最终，他们通过设计调节器件和软体的材料与结构，让整个软体机器鱼能够承受万米之下的巨大压力。

 

从这个案例中我们不难看出，这只机器鱼的诞生是多学科合作的结晶。作为浙江大学交叉力学中心的一员，李铁风领导的这项研究融合了力学、机器人、动物学、生物工程等学科的背景。在他看来，交叉学科的应用正是这项突破的关键。

 

如今，科学的发展越来越依赖于不同学科间的交叉。就在上周末举办的首届“青年科学家50²论坛”上，包括李铁风在内的 3 位曾获“科学探索奖”的青年科学家与中国科学院院士汤超、中国工程院院士邬贺铨在圆桌对话中从自身的经历出发，共同探讨了学科交叉的现状、趋势，以及跨学科研究与人才培养中存在的问题。

 

“青年科学家50²论坛“圆桌对话现场，从左到右依次为主持人蒋昌建，以及邬贺铨、汤超、陈玲玲、陈宇翱和李铁风等 5 位科学家。

 

 

打开科学的全新窗口

 

在我们的印象中，不同学科之间往往有着难以逾越的壁垒。但事实上，正如汤超院士在讨论中谈到的那样，学科交叉不是最近的产物，在人类探索世界的过程中，交叉学科的思想一直存在。

 

当古代的人们试图寻求对自然万物的解释时，他们只能笼统地观察、描述以及总结眼前的一切。但此后，随着对世界的理解更加深入，在人类眼中，自然界不再是一个整体，而是被人为分割成了不同的系统。在这个过程中，那些我们熟悉的学科领域出现了。

 

这样的划分无疑促进了一系列重要科学突破的出现。但与此同时，这个过程也带来了一些弊端，那就是人们容易被禁锢在自身的学科领域中，但对于不同系统的内在联系却认识有限。

 

在中世纪之后，伴随着近代科学的兴起，真正的交叉学科也开始出现。人们逐渐发现，面对更加深刻的科学问题，单一学科的研究往往会力不从心。这时，自然界的不同系统再次被结合在一起，这样的变化也为近代科学的发展打开了全新的窗口。

 

在这个过程中，一个典型的交叉案例就是生物电的提出。1780 年，意大利医生路易吉·加尔瓦尼（Luigi Galvani）发现，当带电荷的解剖刀触碰已经死亡的青蛙的腿部神经时，青蛙腿出人意料地抽动了起来。这时加尔瓦尼意识到，仅仅依靠生物学的知识不足以解决这个问题。于是他转向了电学，并且在 11 年后发表了《论肌肉运动中的电力》，这也是电生理学的开端。

 

 

利用青蛙进行的生物电实验示意图（图片来源：加尔瓦尼/public domain）

 

进入 20 世纪，纵观那些影响最为深远的科学突破，我们总能发现学科交叉起到的关键性作用。例如，20 世纪最伟大的生物学突破——DNA 双螺旋结构的发现——的背后，就离不开 X 射线衍射分析的应用。而在发现 DNA 双螺旋结构的关键人物中，莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）和罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）都是物理学家。

 

但在国内，很长一段时间内，交叉学科的发展程度有所欠缺。从 20 世纪 80 年代起，科学界及管理部门对交叉学科的问题予以更多的重视，我国交叉学科的发展也得到了显著提升。截至 2020 年 7 月，已有 160 所高校的 549 个学科完成交叉学科备案，各个高校的交叉学科不断涌现。在这样的背景下，为了给交叉学科的发展创造更好的条件，最近一年内，关于交叉学科的变革不断出现。

 

2020 年 11 月，国家自然科学基金委员会成立第九大学部：交叉科学部。该部下设 4 个科学处，分别聚焦物质科学、智能与智造、生命与健康、融合科学领域；2021 年初，国务院学位委员会、教育部正式将交叉学科新增为第 14 个学科门类，下设“集成电路科学与工程”和“国家安全学”这两个一级学科。

 

这些变革无疑体现出国家对交叉学科的重视。与此同时，社会各界对交叉学科的关注也在提升。在由腾讯基金会出资支持、科学家主导的公益性奖项“科学探索奖”设立的 9 个获奖领域中，就包括了前沿交叉领域——李铁风教授正是 2019 年该领域的获奖者之一。

 

当然，对于科研的参与者来说，交叉学科作为一个新兴的学科门类，仍然存在一系列有待解决的问题。在学科融合不断加深的背景下，如何让交叉学科更好地发挥作用，青年学者与高校学生又应该如何应对这样的趋势？在上周末的圆桌对话中，几位科学家就备受关注的问题发表了他们的看法。

 

 

不能“为了交叉而交叉”

 

首次，对于交叉学科的从业者，一个迫切而现实的问题就是在立项、成果及奖项评定等问题上遭遇的困境。

 

相比于评价单一的学科，涉及更多领域的交叉学科在评价时必然面临更大的难度。汤超院士也表示，交叉最大的瓶颈就在于评价体系。每一个领域都有各自的评价体系，因此对于交叉学科，需要将不同领域评价体系之前的壁垒打通。

 

与此同时，另一个极端的苗头也已经出现。在倡导交叉学科的背景下，“为了交叉而交叉”的现象已经出现。这些以结果为导向的学科交叉，往往是一些学者为了在立项或学术评价中获得额外的政策优势而采取的。如果不加以规范，大量形式上的交叉必然会挤占那些实质性的交叉学科项目的资源。

 

为了避免这种以结果为导向的情况，交叉学科部在成立之初就极为重视交叉学科的评价体系。在 2020 年的一场以交叉科学为主题的学术论坛中，国家自然科学基金委党组书记、主任李静海院士就强调，交叉科学须要突出问题导向，引导和鼓励科研人员凝练交叉科学问题，聚焦不同知识范畴中的复杂性共性原理和重大复杂科学问题；以实质性交叉为导向，推动新兴交叉领域的重大原创突破。

 

在“青年科学家50²论坛”的圆桌对话中，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员陈玲玲也表示，交叉固然重要，但不要为了交叉而交叉。在陈玲玲看来，交叉学科应当致力于通过以下两种思路来解决科学问题：一方面，一些领域存在长期没能解决的问题，因此，来自其他领域的知识可能提供新的思路，帮助科学家解决这些难题；另一方面，一些交叉是为了实现技术革新，这些由交叉学科带来的新技术将解决一系列重要的科学问题。

 

 

年轻人应何时加入交叉学科研究？

 

人才培养则是交叉学科的另一个广受关注的问题。对于那些有志于交叉学科的高校学生而言，他们需要具备怎样的素质，又应该在何时加入交叉学科的学习与研究？在圆桌对话中，几位科学家给出了各自的观点。

 

近些年来，一些存在学科交叉的专业逐渐进入高考专业的行列，向本科阶段的学生开放。例如，作为涵盖了数学、物理、电子信息、通信、物联网和大数据等等领域的典型的交叉学科，人工智能专业在 2019 年被列入新增审批本科专业名单，全国共有 35 所高校获首批建设资格。

 

谈到交叉学科在本科阶段的人才培养，两位院士发表了一致的意见：在本科阶段，学生应该接受更加广泛的通识教育。为此，高校需要在课程设置中，让学生接受不同领域的基本训练，以此打好基础，并且培养更加全面的思维方式。相比之下，如果过早进行过细的专业划分，反而会影响学生的通识教育。

 

对于本科阶段的人才培养，陈宇翱实验室的情况可以为我们提供参照。陈宇翱是中国科学技术大学近代物理系教授、该校物理学院执行院长。作为一位在光子和冷原子操纵等量子信息领域取得了突出成就的物理学家，陈宇翱介绍称，量子信息是一个包含了数学、物理、信息的典型交叉学科。而在实验室的建设中，更是需要融合光学、电子学、半导体物理学、工程技术等领域的发展。

 

对于这样一个综合性颇高的实验室的人员构成，陈宇翱表示，由于该校对于本科生的培养理念是鼓励自由选专业、选课，因此进入实验室的学生天然具有交叉背景。这个凝聚了交叉性很强的各个方向人才的团队，正是他们取得一系列突破的基础。

 

而对于研究生阶段的人才培养，邬贺铨院士强调，跨专业进行交叉研究的前提是，研究者已经在一个专业上进行了有深度的研究；相反，如果广泛地参与多个领域的研究，难度会很大。

 

汤超院士进一步补充指出，研究生阶段是开始交叉学科研究的恰当节点：由于本科阶段更应进行通识培养，汤超院士不建议高校建立招收本科生的交叉学院；但在此之后，针对研究生的交叉研究院更具可行性。

 

因此，回顾几位科学家的讨论，我们可以看到，交叉学科在当今科学发展中的意义毋庸置疑，但交叉学科的发展与人才培养依然需要足够的耐心、遵循科学规律：只有建设起科学、健康的评价机制与人才培养体系，跨专业的交叉研究才能真正面向实质性的科学难题、在未来带来更多惊喜。