唐本忠院士：呼唤从分子论向聚集体科学的研究范式转移

 

1962年，美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中提出了“研究范式转移“这一概念，对科学哲学领域具有深远的影响。

物质科学的研究通常采用分子科学的范式，在这一范式下进行测试、建立理论、预测结果。然而，在物质科学的研究过程中，也会出现常规科学理论不能解释的反常情况，研究者起先往往会认为“仪器不精准，仪器测量错误，或者自己搞错了”。面对科学研究中的疑点，研究者有时会想方设法做出改进，但随着反常情况的增多，大家开始怀疑研究范式，思考当前的研究模型是否存在问题。在反思原有范式的同时，研究者也会构想新的研究范式。新旧范式的革命、新范式的建立和采用，最终推动了科学的进步发展。

科学从某种程度上来讲就是了解自然。为了了解自然，人们从各种不同的角度观察世界。从宏观到微观，人们建立起了各种各样的范式、模型、概念。在科学发展的早期，就伴随着一个哲学的拷问：在世界万物中，什么东西是最小的、决定万物的基元？

从哲学探讨的角度，古希腊的泰勒斯说“万物源于水”，即水是所有东西的起源；毕达哥拉斯说“不是水，世界是由万物组成的”；而古代中国先哲的回答则是“金木水火土”。当然，这些答案在今天来看都是有时代局限性的。

在物质科学领域，意大利化学家阿伏伽德罗比较正确地回答了这个问题。1811年，他提出了“分子”的概念，起初这一概念比较模糊，认为几个原子靠吸引力结合在一起构成分子。而后，作为物理研究者的麦克斯韦提出了更严谨的分子定义，他提出“分子即是一种特定物质的最小部分”，这就回答了我们前面提出的哲学问题。

现在，我们如何定义分子？根据网络搜索结果，“分子是一种物质的最小粒子，它有物质的所有性质”，这回答了什么是最小物质的问题。

我研究分子化学，在科学上属于“分子科学”的范畴，在哲学上叫做还原论。什么是还原论？第一，“世间万物，都可以把东西还原到最基本的、最简单的部分”；第二，“整体不是其他什么东西，就是它的部分之和”。

区别于还原论，还有一门哲学叫做整体论，认为“一个系统的性质，不止是由它的部分来决定或者是来解释的”、而是“系统作为一个整体，它去决定部分的行为”。因此，还原论是“部分决定整体”，整体论说“整体决定部分”，二者在哲学上有所区分。

还原论非常深入人心，可以说是现代科学的主流。整体论是一门古老的哲学，其中就包括老子“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲学思想。和老子同时代的另一位哲学家亚里士多德认为“整体大于部分之和”。

现代物理学家安德森在获得诺贝尔奖之前发表过一篇文章——《More is Different》。他认为，基本粒子大而复杂的行为，不能仅仅通过对个别粒子的性质外推而加以理解。他进一步指出，在复杂性的每一个层次都可能有全新性质出现，而不是性质的简单加成。他提出，整体可能大于部分，可能大于部分之和，也显示出与部分之和非常不一样的性质。这与亚里士多德的思想有异曲同工之妙。

分子科学认为，如果分子拥有某种性质，用分子组合而成的物质便也拥有这种性质，这是一对一的关系。但是现实中，有许多不遵从分子论的现象。第一个范例是聚集导致淬灭（ACQ），指一种物质的分子在溶解时可以闪闪发光，但它的聚集体完全不发光。第二个是聚集诱导发光（AIE），指一种物质在单分子层次不发光，分子聚集之后却能闪闪发光。

上述两种范例恰恰相反，却都无法用分子论去解释。ACQ的研究历史有100多年，AIE则在20多年前被偶然发现，但研究者们至今仍未揭开其背后的运行机理。因此，现有的研究范式无法解释违反分子科学的现象，便需要哲学发挥其指导意义，这就体现出了哲学的重要性。

我认为我们应该研究聚集体论。我今天讲的是从分子论到聚集体科学的范式转移。分子论是在分子层次研究构效关系，现在很多化学家、生物学家都在进行这一研究，而我是通过聚集体论来研究构效关系。

我们在实验室中发现，绿色萤光蛋白的分子完全不发光，蛋白形成的折叠结构的聚集体却可以发光。我们可以通过分子结构和性质的特性做很多事情，比如运用于阿尔茨海默病、肝硬化等疾病的医学诊断，辅助医生对患者实施药物治疗。

我们的身体和很多药物都是具有手性的，但是手性物质的制备通常很麻烦、很昂贵。能不能从非手性的分子拿到手性的聚集体呢？我们发现，其中一个分子，分子本身不是手性的，但它的聚集就有非常漂亮和显著的圆二色光谱，表示其形成了螺旋的手性聚集体。

我们现在思考的论题在哲学上叫做“涌现论”，从分子到聚集体，有新的现象产生。根据现在的有机观念，让一个有机分子发光，必须要有很大的π电子共轭。但是我们的身体、花、树等等生命体系里的物质，都没有很大的π电子体系，在分子层次不发光，它们聚集之后却也能闪闪发光。在生命健康领域，我们发现虽然单个分子没有功能，但分子聚集之后会产生活性性质，可以发热，甚至能用于杀死癌细胞。现在，我们从AIE的角度发展了许多研究领域，统称为聚集体科学。

分子科学基本上是还原论，即通过单个分子的研究去理解事物，但是我们今天讲的聚集体科学是整体论。从整体来看，分子之上拥有无限的研究空间，对聚集体的研究将为我们带来新的模型、新的假设、新的图景、新的理论，研究者们可以进行大量创新研究。

（作者系中国科学院院士、香港中文大学（深圳）理工学院院长，《中国科学报》记者刁雯蕙根据“翔龙鸣凤：科学与哲学对话”论坛报告整理，略有删减）