以人为本 服务至上 科学管理 勤政高效
创新案例

学科交叉促进了光合作用研究的源头创新

  
 
 
    匡廷云  女,植物生理生化学家,中国科学院院士。1934年12月生于四川省资中县,1956年毕业于北京农业大学土壤农业化学系,1962年在前苏联莫斯科大学生物系获理学哲学博士学位。1981年至1982年,在美国密执安州立大学和美国能源部植物实验室作访问学者,被该校授予“卓越的访问学者”证书。现任中国科学院植物研究所研究员,国家重点基础研究发展规划项目《973》“光合作用高效光能转化的机理及其在农业中的应用”项目首席科学家,并主持“九五”国家自然科学重大基金“光系统II结构和超快过程的研究”。曾荣获国家自然科学奖二等奖1项、中国科学院科技进步奖及自然科学奖多项,在国内外发表论文200余篇。 
 
    学科交叉是当代科学和技术发展的必然趋势。21世纪,人们必然会在跨学科的领域内去寻求更多的机会。实践证明,由于中国科学院知识创新工程、 国家“973”项目和国家自然科学基金委重大项目的大力支持,在国家层面上组织大跨度的多学科--生物学、物理学、化学和农学的交叉,强强联合开展光合作用的综合研究是成功的。
    一、学科交叉是科学发展的必然规律
    光合作用是地球上最大规模地利用太阳能 ,把二氧化碳和水合成有机物并放出氧气的过程。它为人类、动植物及无数微生物的生命活动提供有机物、氧气和能量。光合作用不仅是生命科学的重大理论问题,而且与当今人类面临的粮食、能源、资源和环境等问题密切相关。光合作用研究具有明确的国家目标和科学目标。
    光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理及其调控是光合作用研究的核心问题。光合作用吸能、传能和转能过程包括光物理、光化学和生物化学等过程,阐明这一过程的分子机理,需要物理、化学和生物学家的通力合作,采用先进的物理、化学理论和技术才能有所突破。这一问题的解决,不仅能丰富和发展超分子体系的电子传递及能量传递理论,促进生命科学、物理学及化学学科前沿领域的发展,而且能为调节和提高作物光能利用效率提供理论依据、新思路和新途径,为农作物超高产,为建立我国本世纪农业可持续发展的新技术作出重要贡献。此外,对光合作用高效转能机理的模拟,还可以开辟太阳能利用的新途径,为生物电子器件及生物芯片的研制提供理论基础,从而促进农业科学、能源科学、信息科学和材料科学及其技术的发展,为开辟21世纪的新兴产业提供理论依据和科学技术信息。
    科学的前沿、科学的重大问题往往是在科学自身发展的规律和社会、国家需求的交汇点上。光合作用研究就是一个典型的例子。在光合作用研究的历程中多次获得的诺贝尔奖都是学科交叉研究的结晶。在我国光合作用研究的学科交叉不仅是必需的,而且是可行的。
    根据研究的科学目标和国家目标,在实施方案的设计和运作上采取了如下思路和策略:
    1、采用多学科相互交叉、渗透和有机结合的途径,不同空间及不同时间尺度相结合。
    2、充分发挥我国植物多样性的优势,利用我国在特殊生境下生长的特有植物与不同基因型的作物进行比较研究,有利于理论上的突破,并提出具有特色的在不同生境条件下调节和控制光能转化效率的调控理论。
    3、利用分子生物学的手段研究高效吸能、传能和转能的分子机理及提高光能利用效率的可能途径。组织了中国科学院植物所、植生所、生物物理所、物理所、化学所及北京大学、清华大学和中国农业大学等17个单位,100多位优秀科技工作者强强联合,针对光合作用科学目标和国家目标开展综合研究。
    在科技部主管部门和依托单位的大力支持下,五年来,不断克服“学科语言”的障碍,逐步建立了适合光合作用交叉研究的技术平台,培养了一支以中青年为主体的研究队伍,取得了重要的创新性成果。
    二、光合作用研究的学科交叉取得了创新性成果
    1、通过学科交叉研究不仅填补了我国在光合作用超快微观机理研究的空白,而且使我国跻身于国际上这一难度大、竞争激烈的研究领域的先进行列。提出了光系统II反应中心原初电荷分离存在两步反应的动力学新模型;首次提出了光合细菌捕光色素蛋白复合体叶绿素分子间相互作用的新模型。
    2、通过学科交叉在光合膜蛋白结构与功能研究中获得了创新性及原创性成果。获得了多块光合膜蛋白的结构与功能研究的创新成果;解析了LHC-II2.7Å的空间结构,在国际上处于领先地位。
    膜蛋白质的研究,光合膜蛋白的研究是当代生命科学中最富于挑战的前沿领域,难度相当大,国际竞争很激烈。本项目通过中国科学院生物物理所、植物所合作,通过生物物理学、晶体学、生物化学和结构学等多学科的深入交叉研究,通过高质量样品的提取、纯化,以及独特的结晶条件的摸索,创造性的提出新的堆积模型,最终解析了在光合作用中具有重要功能的膜蛋白质光系统II 捕光叶绿素a/b蛋白复合体(LHC-II)2.7Å的空间结构。这是国际上第一个用X-射线晶体学方法解析的绿色植物捕光复合物高分辨率空间结构,使我国光合作用机理与膜蛋白三维结构研究处于国际领先水平。这一成就已经引起了众多国际同行的广泛关注,正如他们所评价的:“这是光合作用研究领域的一大突破,对于理解植物光合作用中所发生的捕光及能量传递过程是必不可少的”,“这一成果标志了光合作用研究的重大跨越”。这一研究成果以主题论文在2004年3月18日《NATURE》上发表,该晶体结构彩图被选作该期杂志封面照片。
    三、学科交叉研究的实施和优秀科研团队的形成
    1、首先考虑根据科学发展及社会、国家需求的重要问题组织跨学科研究的必要性和可行性,同时必须要有创新的思维和强强联合,有机地组织本项目有关的国内最优秀的科技队伍展开综合研究。
    2、对于基础性前瞻性的课题,多个一级学科的有效交叉研究,需要相关学科科学家的互相理解和真诚的合作,较长期的磨合,以及整个研究团队的同心协力,强烈进取,执著追求。同时作为外部条件,获得较稳定和长期的支持极为关键。
    3、形成一支由生物、物理、化学和农学一级学科交叉的研究团队。通过多年的磨合,大家已经有了共同的语言和共同的研究目标。围绕光合作用研究领域中的科学和技术问题,建立了具有多学科特点的大型仪器设备测试平台,吸引了不同学科的优秀青年科技人员投入到这支研究队伍中,并形成了老中青三结合,以青年为主体的研究梯队,具有学科交叉优势的年轻学术带头人也在项目实施过程中逐渐成长。
    4、通过学科交叉,不仅获得了学科交叉研究的创新成果,而且促使了各相关学科及其技术的自身发展。
    5、项目组强有力的领导是大学科交叉研究顺利进行的保证,各级领导及职能部门的指导起了关键作用。
 
(撰稿人:李良璧  卢从明)
 
    点 评:
    多学科的交叉是科学源头创新的源泉,多学科联合攻关是解决生物学复杂问题的重要途径。以匡廷云院士为首席科学家的我国第一批“973”项目--“光合作用高效光能转化机理及其在农业中的应用”组织了生物学、物理学、化学和农学等领域的优秀专家队伍进行综合研究,并在该领域取得了重大突破,在国际上产生了重要影响,为我们提供了一个通过学科交叉攻克生命科学复杂问题的范例。