孙君健 李贵仓 吴洪富 | 从“X+医学”到“医学+X”——河南大学医学学科交叉融合创新发展的探索

习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会和中国科协第十次全国代表大会上强调：“当前，新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，科学研究范式正在发生深刻变革，学科交叉融合不断发展，科学技术和经济社会发展加速渗透融合……高水平研究型大学要把发展科技第一生产力、培养人才第一资源、增强创新第一动力更好结合起来，发挥基础研究深厚、学科交叉融合的优势，成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军”。《国务院办公厅关于加快医学教育创新发展的指导意见》（国办发〔2020〕34号）提出“以新医科统领医学教育创新”的基本原则，通过“建立‘医学+X’多学科交叉融合平台和机制”，“强力推进医科与多学科深度交叉融合”，“推进‘医学+X’多学科背景的复合型创新拔尖人才培养”，全力提升院校医学人才培养质量。以多学科交叉融合促进医学学科创新发展迎来了千载难逢的历史机遇期。

 一、 交叉融合促进医学知识生产和再生产，推动医学学科不断创新发展

追溯科学发展的历史，众多史家都认为是从古希腊的米利都学派（也称爱奥尼亚学派）的创始人、被后人誉为“哲学和科学的始祖”的泰勒斯开始。彼时，面对茫茫的大自然和恶劣的自然环境事件，人类更想获取对其所生存的周围世界的整体性认识，提出了“世界的本原是什么”的人类认知第一问。整体上看，自人类开始有意识地认识自然世界（包括人类社会和自身）以来，所追求和创造的一直是知识，学科只是知识发展到一定阶段的衍生和集聚。“从科学发展的历史来看，开始并没有学科预设，人们只是有认识的朴素愿望和追求”。从知识生长的历程来看，总体上经历了“综合—分化—融合”的辩证过程。学科是在知识的分化阶段出现的。

(一)整体论视域下的知识生产与再生产，展示了知识综合运用的魅力

区别于其他动物，人类能够把经验和教训转化为知识，以利于自身更好地生存与发展。基于生物进化而形成的特殊大脑和有意识的实践活动，人类形成了根据已知探索未知、发现真知的能力。因此，在与自然和社会乃至自身互动过程中，为了能够享受到更高质量的生活，人类就把已经获取的认知记录并整理为相对系统的经验性总结，逐步积淀为具有内在逻辑性、普遍性和对后续实践具有指导价值的认知体系，即谓之“知识”。

在初级阶段，由于认识能力有限、生产工具简陋，人类获取的知识是初步的、笼统的，具有显著的整体性、综合性特征。按后来的知识分类，初级阶段的知识仍属于自然哲学的范畴。没有学科预设，也不存在专家。文艺复兴早期达·芬奇、牛顿和笛卡尔的学术成就说明了当时人类关于自然认识的整体性和综合性。

以《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》等美术作品闻名于世的列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519），在后人看来是文艺复兴早期最著名的画家，但事实上他思想深邃、学识渊博，擅长绘画、雕刻、发明、建筑、解剖等，通晓后人所谓的数学、生物学、物理学、天文学、地质学等学科，被现代学者誉为“文艺复兴时期最完美的代表”，是人类历史上绝无仅有的全才。体现他最精湛艺术造诣的《蒙娜丽莎》，被科学家们放大30倍之后发现，这幅画的每个地方都保持着1∶1.618的黄金比例。达·芬奇在创作此画作时未必有意识地应用了黄金分割，但整个画作却体现了他对多方面知识的综合运用。

艾萨克·牛顿（Issac Newton，1643—1727）和勒内·笛卡尔（René Descartes，1596—1650）是近代理性主义的杰出代表、近代科学诞生的先驱，他们的学术成就整体上仍然保持了自然哲学的综合性特征。牛顿在数学（微积分）、力学、光学、天文学等方面都做出了划时代的贡献，但由于当时科学分科特征不明显，其研究仍然属于自然哲学的范畴，《自然哲学的数学原理》（Mathematical Principles of Nature Philosophy，1687）实际上是牛顿经典力学思想的学术成果。因“我思故我在”等哲思闻名古今的笛卡尔关于天体的规律和形成、关于地球上各类物体的规律，均出现在他的《哲学原理》（Principia Philosophiae，1644）中，该书以第一和第二自然定律的形式首次比较完整地表述了惯性定律，并首次明确地提出了动量守恒定律。惯性定律和动量守恒定律显然属于后来的物理学范畴。

(二)学科是知识的分类和再生产的载体，同时也阻碍了跨学科研究

人类对未知世界充满无限好奇的驱动和为了满足不断增长的各种生活需求的刺激，在工具越来越多样化的基础上，知识的增长呈现加速膨胀的态势。随着研究内容越来越多、成果越来越丰富、分工越来越细，学者们的研究各有侧重，出现了一些相对集中研究某个领域的学术共同体，逐渐形成了一定的思维范式、特别的表达语言、专门的学术刊物，这些共同研究的内容慢慢就形成了一个相对独立的学科。无论是究其本源还是从衍生含义来看，学科都是知识的分支或分类。学科是人类社会的知识积累到一定程度后进行体系化分类的产物。

知识分类是知识发展的客观需要，也是人类认识世界的主观需求，通过知识分类，认识得以深化和拓展，知识得以发展和创新。可见，知识分类、学科划分更多是一种主观行为，其目的在于对已有知识进行分类和管理，便于在学术研究中深化对未知世界的认识，在一定历史阶段实现对特殊人才的培养。

在科学认识还原论思维的主导下，近代以来，知识的增长出现了系统性学科细分态势，使人类对自然、社会和自身的认识越来越丰富、越来越深入，各种学科林林总总、蔚为壮观，呈现点状分布、条块分割的态势。我国在学科目录管理上，既有“门类”的划分，也有“一级学科”“二级学科”的划分，在临床医学“内科学”“外科学”二级学科下，甚至出现了更细分的“三级学科”，如“呼吸内科学”“普通外科学”等。由此带来了严重的学科壁垒问题，影响到知识创新的整体进步。

在学术实践活动中，有很多人（也谓之“专家”）过度专注于自己已有的研究领域和方向，学术思维局限于学科之内，画地为牢，颠倒了知识生产和学科之间的关系，没有遵循知识生产规律，过分强调学科，从而限制了知识的生产和再生产。在面对一些宏观科研问题或重大战略性科研项目时，单一学科就显得束手无策，需要相关学科联合起来协同攻关，如美国的“曼哈顿计划”和我国的“两弹一星”工程。因此，现在提倡学科交叉融合，就是对这种偏差的一种修正，是一个否定之否定的辩证认识和实践。

从方法论的角度，现代科技在经历了近代以来的还原论以后，开始逐步表现出整体论的显著优势，更加凸显不同学科之间优势互补在创新上的重要性。还原论与整体论有机结合，呈现出当前科技创新发展的最大特征，医学也不例外。

(三)现代医学学科亟需突破原有学科藩篱，通过交叉融合创新发展

交叉学科是指通过两个或两个以上学科间知识结构和研究方法的交叉、融合、渗透开展研究活动的研究范式，是学科交叉后自然形成的新理论体系。实际上，这种多学科交叉融合的趋势已经呈现良好的端倪。比如，化学与物理学的交叉形成了物理化学和化学物理学，化学与生物学的交叉形成了生物化学和化学生物学，物理学与生物学的交叉形成了生物物理学，数学与物理学的交叉形成了数学物理学，生物学与医学交叉形成了生物医学等。面对新问题，多学科交叉融合创新在学术共同体和科技管理等层面形成了新的共识，更加强调交叉融合的重要性。

在实践层面，国务院学位委员会、教育部于2020年12月发布《关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知》（学位〔2020〕30号），按照《学位授予和人才培养学科目录设置与管理办法》的规定，经专家论证，国务院学位委员会批准，决定设置“交叉学科”门类（门类代码为“14”）、“集成电路科学与工程”一级学科（学科代码为“1401”）和“国家安全学”一级学科（学科代码为“1402”）。

韩启德院士认为，众多学科前沿交叉汇集在生物领域，催生新的科学范式，结果自然会推动生物医学的发展，当然也会对人类健康做出直接贡献。众多学科前沿与生物医学的交叉融合，也必将催生出新的医学知识，医学学科的创新发展自然成为水到渠成、自然而然的事情。

医科是人类医学知识积累到一定程度后进行体系化分类的产物，同时也是医学人才培养的重要支撑。新时代医学学科创新发展，需要根植于“新医学”的发展。而这种“新医学”便是以多学科前沿交叉融合为最大特征的新的创新知识体系。因此，以人民生命健康为中心、以临床医学问题为靶向、以交叉融合为创新方式的“新医学”知识体系建设，必将推动我国医学学科实现更高质量的创新发展，为医学教育创新发展提供强大的学术支撑。 

二、 现代医学创新发展体现了多学科交叉融合的本质及特征

科技史上通过有意或无意的学科交叉融合而取得重大科技成果的案例不胜枚举，尤其20世纪以来，随着科学技术的突飞猛进，多学科交叉融合正在由自发走向自觉。路甬祥院士在《英国卡文迪什实验室成功之道》一书的序言中说：“在卡文迪什实验室的历史上，学科是相对的，穿过学科的壁垒进行科学发现和原创才是绝对的……鼓励学科交叉已经成为富有远见的科学家们的共识，从而使学科交叉由过去的自发过程转变为自觉的过程”。德国著名物理学家马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858—1947）认为：科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性，实际上存在着从物理到化学，通过生物学和人类学到社会学的连续的链条，这是任何一处都不能被打断的链条。

医学是人学，是关于人的身体健康和生命安全的科学。维护人类健康和生命安全是医学学科的神圣使命。探究人类生命的奥秘，对医学而言永无止境。现代医学早已突破了生物医学的范畴，通过多学科交叉融合促进医学创新发展，科学家们已经有了成功的探索。在科技史上，以多学科交叉融合促进医学创新并影响现代医学快速发展的案例俯首皆是。为更好说明其本质和特征，这里采撷其中三个典型案例。

(一) 物理学+化学催生分子生物学

物理学家关于生命的思考，揭示了生命现象的本质。1944年，理论物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961）在他的生物学著作《生命是什么——生物细胞的物理学见解》中，用热力学和量子力学理论阐释生命的本质，引入非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式突变等概念说明有机体物质结构、生命的维持和延续、遗传和变异等现象，直接启发了DNA双螺旋结构模型和基因调控的操纵子学说的提出，以及后来对遗传密码的解读，从而推动了分子生物学的诞生。在他的影响下，一大批科学家用物理学、化学方法研究生命的本质。詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson，1928—）、弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick，1916—2004）和莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯（Maurice Hugh Frederick Wilkins，1916—2004）等利用X射线衍射研究DNA的结晶结构，最终在1953年发现了DNA双螺旋结构，证实基因确实是按照薛定谔的预言构成和传递信息的。1962年，沃森、克里克、威尔金斯共享诺贝尔生理学或医学奖，被誉为“DNA之父”。薛定谔用物理学思想围绕生命进行的跨界思考，促使了分子生物学的诞生和蓬勃发展，成为后世公认的分子生物学理论先驱。在此基础上，现代医学进入了“分子时代”。

(二)化学+生物学发明冷冻电镜设备

获诺贝尔化学奖的冷冻电镜解决了生物学难题。2017年10月，在国际科学界被戏称为“不务正业”的诺贝尔化学奖评选结果正式揭晓，获奖理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。获奖的三位科学家约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank，1940—）、理查德·亨德森（Richard Henderson，1945—）和雅克·迪波什（Jacques Dubochet，1942—）有一个共同的身份——生物物理学家。长久以来，电子显微镜只能用于观察死去的物质，因为电子显微镜的电子束会杀死活体，电子显微镜工作的真空环境也会让活体脱水而死。冷冻电镜技术的突破，使研究人员可以将活体生物分子进行冷冻，并使用冷冻电子显微镜成像，实现了溶液里生物分子高分辨率的结构解析，使那些以前无法看见的生物变化过程实现可视化，让人类看清生命本质，这给科学家从化学角度了解生命和研发药物带来决定性的影响。针对该获奖，有媒体评价：“一个发给了物理学家的诺贝尔化学奖，以奖励他们帮助了生物学家。”学科跨界之大不言而喻。有科学家断言：“现在冷冻电镜仍然是在溶液中看生物大分子的结构，我们正在探索怎样才能直接观察分子在生物体原位的精细结构，也就是在生物组织中直接观察生物大分子的结构动态。”多学科交叉融合背景下的冷冻电镜技术必将对医学知识创新和医学人才培养产生深远影响。

(三)人工智能+生物学解决蛋白质折叠问题

人工智能系统AlphaFold 2给出“蛋白质折叠问题”解决方案。在结构生物学领域，“蛋白质折叠问题”一直是一个重大挑战，并且已经困扰生物学家50多年。根据Anfinsen法则，蛋白质的氨基酸序列决定其三维结构，同时其独特的三维结构又是蛋白质功能的基础。因此，预测蛋白质会折叠成什么形状，预测未知蛋白质的结构，不仅能够帮助我们治疗疾病、更快找到新的药物，或许还能帮助我们解开生命运作的奥秘。受益于人工智能和深度学习技术的快速发展，以及结构生物学数据的大量积累，蛋白质结构预测的方法取得了突破性进展。2021年4月2日，华盛顿大学David Baker教授团队在《科学》杂志发表论文，提出了RoseTTAFold算法及其开源代码。同一天，Google DeepMind团队在《自然》杂志发表论文，详细描述了AlphaFold 2的设计思路，并提供了可运行的开源代码，基本上可以根据蛋白质的氨基酸序列，对蛋白质的三维形状和结构进行高度准确的预测，在结构生物学上实现了重大的科学突破。据称，AlphaFold 2对目标蛋白的预测精度GDT_TS分数超过了90%，意味着对其中很多蛋白的结构预测与实验结构非常接近，RMSD在1—2埃以内。有生物学家认为，虽然AlphaFold 2仍存在一定的局限性，但无论是从方法设计的角度还是从性能的角度看，AlphaFold 2都体现了人工智能方法和生物物理思想的完美结合，不失为近年来最重要的科学突破之一。有了人工智能和深度学习技术的交叉融合，结合原来的实验研究范式，生物医学将迎来知识创新的新革命。

纵观上述三个案例，可以发现现代医学创新发展体现了多学科交叉融合的特征：(1)学科交叉促进知识创新；(2)成熟学科对新兴学科难题的关注；(3)取得重大突破性成果。由此，可以得出如下结论：学科交叉融合本质上是不同学科以独特的思维、语言、方法关注并回答其他学科科学问题的学科融合过程，从其他学科角度获得对本学科问题的新的科学解释。物理学、化学、人工智能与生物学的交叉融合，对生物医学的进步已经或必将产生颠覆性影响，促进现代医学更加繁荣，进而促使医学的知识体系更加丰富和完善。 

三、  医学创新发展中学科交叉融合的初步探索

在“新医科”政策指导下，通过建立“医学+X”多学科交叉融合平台和机制，强力推进医科与多学科深度交叉融合，推进“医学+X”多学科背景的复合型创新拔尖人才培养，已成为国际医学和医学教育创新发展的趋势。在综合性大学，医学学科的创新发展具有多学科交叉融合的天然优势。如何在多学科中寻找、激发相关学科参与“医学+X”的新医学（科）发展力量，使多学科X1、X2、X3…Xn的学科力量显示、激发出来，河南大学在医学教育综合改革和创新发展过程中，通过设置“X+医学”科研项目、举办“HU-BBS（生物医学午茶会，Henan University，Biweekly BioMed Seminar）”、创办“Exploration（探索）”期刊等方式，把相关学科力量组织起来，探索实现“医学+X”学科交叉创新的路径。

(一)通过设置“X+医学”项目，激发实现“医学+X”目的的新主体

关于“医学+X”交叉融合的主体，很多人自然而然认为是医学人员，因为问题产生于医学学科，因此在认识和实践中也就顺势形成了医学主导、X参与协同解决医学问题的交叉融合机制。

在综合性大学里，有一些非医学学科的专家从事医学学科相关领域科学问题的研究，还有一些专家已经具备从事医学学科相关领域科学问题研究的基础，如何使这部分专家积极参与医学学科创新发展，单靠医学专家自己去努力，显然存在一定的难度。医学专家有内在需求去寻求多学科力量参与医学学科创新发展，他们可以找寻已经从事医学学科研究的专家“X1”“X2”“X3”，但使“Xn”即更多学科、更多专家参与“医学+X”的创新发展，就显得心有余而力不足。在这种情况下，我们从问题导向和目标导向切入，设置了“X+医学”项目，试图以此实现“医学+X”的目的。

2019年，学校筹措部分资金设立“X+医学”交叉融合创新项目，作为省级以上自然科学基金项目进行培育。在项目成员组成方面，要求由非医学学科人员作为项目负责人，团队成员应至少有50%为医学背景人员，对论文发表不做硬性要求。项目申请通知发布后，数学、生物学、化学、物理学、计算机科学与技术、材料学、体育学、心理学等学科的科研人员，在较短时间内提出申请45项，经校外专家评审，确定立项15个并给予不同资金额度的资助。据不完全统计，目前至少获批国家级项目3项，省部级科研项目3项、人才项目2项，直接或间接获批经费500余万元。

通过采用现场访谈的方法，我们随机对长期从事科学研究的高级职称人员进行访谈，其中医学研究人员5名、数学研究人员2名、物理学研究人员4名、化学研究人员3名、生物学研究人员5名。选取交叉融合的积极性、创新性、难度系数等三个维度进行了调查和比较研究，并得到如下初步结论：交叉主体的不同导致交叉融合的结果各异。

第一种情况：医学主导，即医学人员作为项目主持人、“X”（科研工作者）作为参与者。受传统实验医学思维的影响，医学科研工作者倾向于从学科内部向纵深处寻找解决问题的方案，对“X”解决问题的能力和有效性表示怀疑；而“X”作为参与者，对医学的问题意识和交叉兴趣就会弱化，对经费等资源无法掌控，属于被动应付型。所以，导致双方合作的积极性低、创新性弱、交叉融合难度系数大的结果。

第二种情况：X主导，即由“X”作为医学项目的主持人。X作为成熟学科，“X”具有过硬的专业水准，对于用其学科基本原理和技术解决学科之外的问题，具有强大的好奇心和浓厚的兴趣，通过交叉融合既可以拓展自身学科领域，也可以取得创新性成果，同时还可以自主掌控经费等资源，属于主动拓展型；而医学作为参与者，对X解决医学自身学科问题充满期待和好奇，在“山重水复疑无路”的情况下，一旦融合成功，则“柳暗花明又一村”，可以取得意想不到的成果。所以，双方表现出积极性高、创新性强、交叉融合难度系数小的状态。

科技史上关于医学学科交叉融合创新的众多案例均表现出第二种情况的特征，即从多学科的维度关照医学问题。因此，我们设想：“X+医学”可能比“医学+X”在实践上具有更强的操作性，不失为交叉融合有效的路径之一。在清华大学“医工交叉‘大家’说”系列论坛上，杨卫院士提出了“医学是理工发展的天堂——跨学科交叉的沃土”的论断，鼓励更多理工学科科学家针对医学问题开展靶向研究。

(二)通过举办“生物学+医学”午茶会，建立“X+医学”交流平台

在长期形成的学科细分、壁垒林立的条块格局尚未被彻底打破的情况下，不同学科乃至同一学科的不同领域之间，科研人员彼此了解、相互交流的机会很少，因此，交叉融合也就无从谈起。科学发展需要打破思维枷锁、交叉进化，科学家、工程师们渴望在完全不同的知识背景下深刻交流以汲取新的灵感。因此，在学科交叉融合创新中，应高度重视人的因素，尤其是要加强跨学科人才的学术交流。

众所周知，生物学是医学的基础。河南大学生物学是国家“双一流”建设的一流建设学科，学校在加强生物学一流学科建设的同时，把生物医学纳入“双一流”建设方案之中，力求通过生物学一流学科建设，辐射带动医学学科发展。围绕“X+医学”交叉融合创新项目的实施，河南大学医学院和生命科学学院立足综合性大学多学科基础研究雄厚的优势，以“增进学者友谊、促进学术创新、推进‘一流’建设”为旨归，于2019年6月联合创办了“河南大学生物学与医学午茶会”（HU-BBS），建立起了“X+医学”交流平台，推动和引领生物学及相关学科与医学的交叉融合。该平台以生物医学问题为靶向，利用午间碎片化时间，每次活动邀请一名校内生物学、医学、数学、化学、物理学、计算机科学与技术、材料学等优秀青年骨干教师担当主谈，其他教师参与会谈。在相对宽松的氛围下，主谈教师围绕近期取得的代表性成果，介绍研究思路、展示研究方法、发出合作邀请，与谈教师随时提问，进行面对面交流。经过思维碰撞，交叉创新的火花频现。很多教师通过交流找到了合作的契合点、切入点，达成共识和合作意向。其间，HU-BBS走出校园、贴近临床，先后邀请了郑州大学、四川大学、广州医科大学、河南省人民医院等单位的著名专家前来做客。截至目前，HU-BBS已经陆续举办了45期，线下会场参与者2300余人次，成为校内外知名的学术交流品牌。

(三)通过创办Exploration学术刊物，广泛交流“X+医学”创新成果

交流与争鸣是延长学术创新生命线的重要手段，尤其对交叉学科显得更加不可或缺。对一个成熟学科而言，除了要有边界相对清晰的问题域、学术旨趣相对接近的共同体外，一本或若干本具有国际视野的学术交流刊物便成为该学科学术发展的展示窗口，也是学术共同体成员交流互鉴、思维碰撞的平台。

河南大学充分发挥综合性大学多学科基础研究的优势，抓住教育部新增“交叉学科”门类这一时机，联合中国生物物理学会纳米生物学分会创办了Exploration（《探索》）期刊。该刊定位于打造具有中国特色，立足国内、面向全球的顶级综合性国际学术期刊，聚焦国家重大战略需求、瞄准科技前沿、突破关键技术难题，打破学科壁垒，重点发表与推广打破传统学科界限的交叉学科领域最新研究成果及前沿进展，引领多学科在交叉融合这一“催化剂”的作用下，加快新兴交叉学科建设。

经过不懈努力，学校多学科交叉融合方面的重大创新性、代表性成果逐步显现。数学教授用流体力学建立玉米输水管道模型、心脏血液流动模型、尿管尿液流动模型等的研究工作正在深入推进；生物学教授用相分离原理和技术解决植物光合作用问题，成果发表在Cell（《细胞》）期刊，并被主编年度点评；化学教授与基础医学教授合作，合成了红外II区有机小分子光热诊疗剂IR-SS，可高效杀伤肿瘤细胞，实现了光声成像引导下的肿瘤治疗，研究成果发表于Advanced Materials。

在知识创新发展的过程中，知识的分类促成了学科的出现，加速了科学研究的纵深发展，但也造成了学科壁垒林立、知识条块分割的局面。学科交叉强调跨学科知识的交融性和整体性，使知识创新在经历了综合与分化之后，实现新的综合，符合人类认识的辩证规律。当前，学科交叉最活跃的领域聚焦在生物医学，“新医学”的发展已经呈现出生机勃勃的局面，由此必将为“新医科”带来巨大的发展空间。河南大学抢抓交叉学科发展和“新医科”建设重大机遇，积极探索交叉创新的内在机制和医学创新发展新路径，开展了一些工作，取得了一定的成效，后续将在新成立的“高等交叉研究院”基础上，继续深入推进区域综合性大学交叉学科建设。