从简单到复杂，科学与艺术的创新路径

更新时间：2025-11-28 11:35 浏览量：2

导语

本文通过生物化学家厄尔·W·萨瑟兰和视觉艺术家弗兰克·斯特拉的并置，阐述了不同领域中"由简入繁"的创新路径，并追溯了二者如何以从最简单的机制/原理开启探索，并最终释放出深远而复杂的变革性能量，揭示简单性中所蕴藏的创造性力量。

本文为庆祝拉斯克奖背后科学成就的特别系列文章之一。有关该年度奖项的更多信息，请访问https://laskerfoundation.org/winners/2025-winners/。本文由加州大学河滨分校植物细胞生物学中心的娜塔莎·雷克尔编辑，于2025年5月22日收稿，2025年7月17日接受。

拉斯克奖是生物医学界最高荣誉之一，被誉为“诺奖风向标”，由美国慈善家阿尔伯特·拉斯克和夫人玛丽·拉斯克于1946年创立，设基础医学、临床医学和公共服务奖，旨在表彰为人类健康作出里程碑式贡献的杰出科学家。

本文作者大目妖为控制论文化/电子游戏研究者、写作者、译者、设计师，the System观察员，主讲集智俱乐部「复杂科学经典论文研读·第一季」读书会第3期「控制论：终结了旧哲学的科学分类」。

关键词：还原论、第二信使系统、环磷酸腺苷（cAMP）、细胞信号传导、极简主义艺术、跨学科创造力、GPCR通路、视觉本体论

Joseph L. Goldstein丨作者

樊昌林（大目妖）丨译者

周莉丨审校

论文题目：From simplicity to complexity: A path to innovation in science and art

论文地址：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2513128122

简单的还原论系统能够成为强大的催化剂，在科学与艺术领域释放复杂的创新。从简单性到复杂性的演变历程，可通过科学家厄尔·W·萨瑟兰（Earl W. Sutherland）与艺术家弗兰克·斯特拉（Frank Stella）的职业轨迹得以诠释：前者发现了环磷酸腺苷（cyclic AMP），开创了细胞信号传导领域；后者则在绘画与雕塑中率先运用几何图案与形状。他们的成就分别深刻影响了生物医学与现代艺术。如何驾驭从简单性到复杂性的旅程，是科学家与艺术家共同面临的根本性挑战——他们都致力于找到能产生持久洞见的新理念。

科学家与艺术家同样面临创造崭新思想的挑战。科学家致力于拓展知识边界，艺术家则追求突破既定规范的独特表达。本文将探讨一位科学家与一位艺术家，分属截然不同领域的他们，如何以关注简单性为起点开启职业生涯。他们的研究随时间演进为复杂而突破性的贡献，将始于简单作为通向深层复杂性的序曲，并印证了其中所蕴含的力量。在科学领域，生物化学家厄尔·W·萨瑟兰（1915–1974）发现环磷酸腺苷，彻底革新了人类对细胞信号传导与沟通机制的理解。在艺术领域，画家弗兰克·斯特拉（1936–2024）创造并改造了抽象艺术的新形式，涵盖了极简主义绘画到大胆的结构构成作品。

生物系统本质上错综复杂，涉及分子、细胞和组织之间无数复杂的相互作用——所有这些都在不断变化的环境中运作。近几十年来，科学研究日益依赖大数据及基因组学、蛋白质组学、代谢组学、成像学和人工智能等技术。如何从这些海量数据集中提取有意义的洞见，已成为一项艰巨的挑战。

应对该挑战的经典方法是从简单系统入手，剔除非必要元素。20世纪50年代，厄尔·萨瑟兰致力于探究肾上腺素与胰高血糖素如何诱导肝脏分解糖原以产生葡萄糖。他从肝脏切片开始研究，逐步过渡到细胞提取物，最终聚焦于纯化酶。他的方法促成了一项突破性发现：存在一种名为环磷酸腺苷的小分子。该分子作为中间的“第二信使”（second messenger），将细胞表面的激素信号传导至细胞内的靶向酶（详见参考文献1）。

萨瑟兰提出了一个简洁优雅的三步机制：1）激素（肾上腺素或胰高血糖素）作为“第一信使”（first messenger），与细胞表面的假定受体结合； 2) 这会激活一种酶，即产生环磷酸腺苷的腺苷酸环化酶；3) “第二信使”的环磷酸腺苷激活酶促反应，使糖原分解并产生葡萄糖。关键在于，萨瑟兰发现环磷酸腺苷形成于细胞膜内，这表明激素本身从未进入细胞。图1展示了萨瑟兰第二信使概念的示意图 [2]。

译注：“第一信使”负责细胞间的信号传导的生物活性因子，它不进入细胞内部，而是与靶细胞膜表面的受体结合。“第二信使”负责则将接收到的信号在细胞内的传导与放大，萨瑟兰的“环磷酸腺苷”是最早被发现的“第二信使”，其发现解释了细胞间的信号跨膜传导的核心机制，阐明了细胞如何整合来自不同渠道的、有时甚至是相互矛盾的信号，并做出精细、协调的响应。

图1. 环磷酸腺苷参与第一信号传导通路示意图，该通路由厄尔·萨瑟兰于1966年发现并首次发表（2），后于1972年诺贝尔奖演讲中重绘（1）。图片来源：改编自参考文献2，南希·L·赫德（德克萨斯大学西南医学中心，达拉斯）

萨瑟兰工作的影响

萨瑟兰于1960年代中期提出的极简主义概念，开创了细胞信号传导研究领域。该理论为后续众多发现铺平了道路，包括环磷酸腺苷依赖性蛋白激酶、G蛋白偶联受体（GPCRs）以及其他第二信使分子——如环磷酸鸟苷、肌醇三磷酸、钙离子和一氧化氮。

萨瑟兰的研究具有深远影响，这不仅重塑了科学界对细胞通讯的认知，更催生了长达60年的学术探索。数千名科学家在此基础上阐明了多达105条全新的传导通路——如Ras/MAPK/ERK通路、 WNT/β连环蛋白、刺猬、类固醇激素、JAK/STAT、TGF-β、NF-κB、mTOR复合体、SREBPs、cGAS/STING/γ干扰素等（仅举几例）[3]。这些通路几乎调控着生物体内的所有细胞功能与生理过程。细胞信号传导领域取得的非凡进展，很大程度上要归功于生物技术公司Cell Signaling Technology, Inc.。该公司销售超过16,000种产品，包括抗体、化学试剂、重组蛋白和试剂盒，可用于探究这105条传导通路（https://www.cellsignal.com）。图2展示了其中一条通路——“GPCR、钙离子、环磷酸腺苷通路”的示意图，其复杂程度与图1中萨瑟兰最初提出的简洁环磷酸腺苷通路相去甚远。

凭借开创性的科学贡献，萨瑟兰于1970年获拉斯克基础研究奖，并于1971年荣获诺贝尔生理学/医学奖[4]。

图2. 当前版本环磷酸腺苷（黄色阴影部分）信号传导通路示意图。图片来源：经Cell Signaling Technology公司（www.cellsignal.com）授权转载。通路详情参见www.cellsignal.com/pathways/receptors-signaling-to-mapk-erk。

斯特拉的早期作品《黑色绘画》（the Black Paintings）创作于1958至1960年间，当时他年仅22岁[5]。该系列的14幅作品中，每一幅都是由均匀的黑色条纹构成的不同几何图案，条纹间以未上色的画布细线分隔（图3A和B）。其极致的简单性摒弃了象征主义与深度，与杰克逊·波洛克、威廉·德·库宁等艺术家当时主导艺术界的复杂多色表现风格形成鲜明对比。《黑色绘画》系列在艺术界掀起轩然大波。

译注：如果仅仅从视觉语汇上来看，俄国先锋艺术家马列维奇1915年在彼得格勒“0、10画展”上展出的《白底上的黑色方块》，更早采用了无色彩的抽象几何图形。但二者的区别在于，马列维奇的革新性在于对19世纪欧洲传统写实绘画的颠覆，以及极简的画面及其所表达的形而上精神性之间的张力。而斯特拉的革新性在于在绘画中剔除了艺术家的情感和精神性，将画作本身当成一个纯粹的视觉物理对象，探求绘画的本质，这反叛了1960年代注重个人情感表达的抽象表现主义。两者对于视觉艺术史来都是颠覆性的，但是基于不同时代背景和艺术语境。

尽管斯特拉的极简主义广受赞誉，但他并未局限于此种风格。1960年代起，他开始在形状各异的画布上创作——包括同心正方形与多边形构图，并以绚丽色彩加以点缀。这一时期的代表作《贾斯珀的困境》（Jasper’s Dilemma，图4A）由两块完全相同的画板构成——一块色彩斑斓，另一块则呈现灰色调。该作品源于艺术家的同伴贾斯珀·琼斯的宣言：“我越是使用色彩作画，就越觉得万物皆呈黑色”[6]。《贾斯珀的困境》后来成为斯特拉创作巨型雕塑的灵感源泉（详见下文）。1970年，34岁的斯特拉成为在纽约现代艺术博物馆举办完整回顾展的最年轻艺术家[5]。

图4. 弗兰克·斯特拉艺术风格的演变：从其早期《黑色绘画》的极简主义，到后期以鲜艳色彩、异形画布以及从画布延伸出的结构组件为特征的绘画作品。(A)《贾斯珀的困境》（1962-1963）。醇酸树脂颜料，画布。6.4 × 12.8英尺。(B)《古尔三世》（1968）。荧光醇酸树脂颜料，画布。10 × 15英尺。(C)《戈巴、扎帕与科洛托托》（1985）。油画、荧光醇酸树脂、丙烯酸及印刷油墨，蚀刻镁铝板。11.4 × 10 × 2.9英尺。图片来源：© 2025 弗兰克·斯特拉/艺术家权利协会（ARS），纽约。

斯特拉的创造力持续演化。在1970年代，他创作了有着复杂交织、相互重叠的图案的大型绘画，其灵感源自量角器的曲线，一种用于测量角度的简单几何工具。他对荧光色的运用，为《量角器》（Protractor）系列（图4B）注入了新的活力层次。

1970年代末至1980年代，这位不断自我重塑的大师再次转变创作方向，摒弃平面画布，转向以结构组件延伸出画布的立体创作（图4C）。这些视觉震撼的作品融合了精巧的雕塑形式与绚丽的色彩[7]。1987年，纽约现代艺术博物馆为斯特拉举办第二次回顾展——这对在世艺术家是史无前例的。

从1985年到1997年的12年间，斯特拉创作了标志性的《白鲸》（Moby Dick）系列，共266件作品，包括绘画、金属雕塑、拼贴画、木刻版画和印刷品，灵感源自赫尔曼·梅尔维尔的小说[8]。其中一件作品《喷泉》（The Fountain）取材自《白鲸》第85章[9]。该作品长逾23英尺（约7米），堪称史上最大的版画之一，融合了木刻、蚀刻、拼贴和67色油画等七种技法（图5）。斯特拉运用漩涡状的黑色形状与彩虹般的新月形状，再现了梅尔维尔笔下鲸鱼喷水的壮阔景象。

晚年时期，斯特拉将数字技术融入创作过程。他在2024年87岁时举办的告别展呈现了三件巨型雕塑——每件高16至18英尺（约5米左右），由单根金属杆支撑于带轮底座上，表面饰有呈爆炸状的绚烂色彩（图6）。这些雕塑由斯特拉通过计算机程序设计，采用玻璃纤维和铝制材料，表面喷涂汽车漆[10]。这些迷幻的雕塑堪称斯特拉最具创新性与极致抽象的作品，与《黑色绘画》的简单风格相去甚远。

斯特拉的革新传承

除室内艺术作品外，斯特拉还创作了许多大型户外作品，其中《星辰》（Star）系列以复杂的几何星形为特征，陈列在雕塑公园与公共场所，遍布全球。其中一座高达21英尺的雕塑《贾斯帕的裂星》（Jasper’s Split），由12个几何部件构成，其中六个为未涂装的铝制封闭斜面，另外六个为采用浅色调蓝色、紫色和灰色喷涂的镂空斜面（图7）。该作品于2021年安装在曼哈顿下城世界贸易中心7号楼前的公共广场 [11]。雕塑的两面分体结构——一面着色一面素面——呼应了斯特拉1962年的绘画作品《贾斯珀的困境》（如上所述；图4A）。

在长达66年的艺术生涯中，斯特拉精通自我革新之道，其创作从极简主义演进至极繁主义。他对色彩、形态与技术的创新热忱，不断重塑着艺术与感知的关系[12]。他那句著名的“所见即所见”（What you see is what you see.），强调了视觉体验的纯粹本质[13]。斯特拉的作品被全球各大博物馆广泛收藏并展出。

译注：斯特拉的艺术生涯作品形式虽然差异巨大，但都是从“所见即所见”这句“公理”推导出来的，即将作品视为一个纯粹的物理视觉对象。从最简单的视觉元素（黑色几何形）开始，在此基础上不断叠加元素（色彩、画布形状、空间体积），形成更加复杂的体系。虽然对比其他视觉艺术形式（动态雕塑、互动影像）来说，斯特拉的作品或许算不上复杂。但本文强调的是从个人生涯角度创作的简单性到复杂性的自我繁殖和演化。

萨瑟兰与斯特拉在各自领域都始于还原论方法。萨瑟兰将细胞对激素的特定反应分离出来。他发现的环磷酸腺苷催生出全新的研究领域，数千名科学家由此揭示了上百条维系生命的关键信号通路。同样，斯特拉将绘画还原至最基本元素后，逐步拓展出越发繁复且充满动态的作品，这些作品以三维的形式将绘画与雕塑相结合。

萨瑟兰与斯特拉的作品体现了莱昂纳多·达·芬奇那句名言的精髓“至繁归于至简” [14] 。他们通过开创性的贡献分别在科学与艺术领域留下不朽的遗产，激励后世探索简单性的变革力量——这正是通向创新的阶梯。

如前所述，简单的还原论方法可逐步演变为更复杂的动态成果，最终催生变革性理念与发现。今年拉斯克奖得主的发现，展现了从简单到复杂的创新的多元路径。有关2025年拉斯克奖的详细信息，请参阅拉斯克官网www.laskerfoundation.org及本期《美国国家科学院院刊》的配套文章。以下为获奖项目简要概述。

阿尔伯特·拉斯克基础医学研究奖。本届获奖者为迪尔克·戈尔利希（Dirk Görlich，哥廷根马克斯·普朗克多学科研究所）与史蒂文·L·麦克奈特（Steven L. McKnight，达拉斯德克萨斯大学西南医学中心）。获奖者因揭示蛋白质序列中低复杂性结构域的构造与功能而获奖，该发现揭示了细胞内运输与细胞组织的新原理。低复杂性结构域（Low-complex demains LCDs）是蛋白质中主要由少数几种氨基酸组成的区域，不同于大多数蛋白质区域中20种氨基酸的复杂组合。这些无结构的LCDs占人类基因组编码序列的15%至20%。戈尔利希发现核孔蛋白中的LCDs可形成含苯丙氨酸-甘氨酸（FG）重复序列的水凝胶，该结构模拟核孔复合体的内部环境。这种FG水凝胶作为高选择性渗透屏障，运输受体可穿透水凝胶将货物蛋白运送过孔。戈尔利希证明LCDs具有自关联并发生相分离，这为无膜区室的形成提供了早期生化证据。麦克奈特进一步鉴定出具有LCDs并能形成水凝胶的其他蛋白（如FUS、TDP43、核糖核蛋白hnRNPA2及某些中间丝蛋白）。这些蛋白通过LCDs间可逆的交叉β相互作用介导相分离，解释了无膜斑点的出现与消失机制。遗传学证据表明，致病性点突变会导致这些无膜结构过度稳定，从而解释了某些遗传性神经疾病中的蛋白质聚集现象。基于麦克奈特和戈尔利奇的研究，我们现已知道：真核生物蛋白组中约15%至20%的LCDs蛋白，使细胞能够构建动态可逆的结构，这些结构超越传统膜结合细胞器，在组织和调控细胞功能方面发挥着关键作用。

拉斯克-德贝基临床医学研究奖。该奖项授予迈克尔·J·威尔士（Michael J. Welsh，爱荷华大学）、赫苏斯·（蒂托）·冈萨雷斯（Jesús (Tito) González，曾任职于福泰制药公司）以及保罗·A·内古列斯库（Paul A. Negulescu，福泰制药公司，圣地亚哥）。获奖者因在开发囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）新型疗法中发挥关键作用而受到认可——该三联药物组合挽救了众多罹患这种致命遗传疾病患者的生命。囊性纤维化由常染色体隐性突变引起，该突变破坏了囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）的功能，该因子是一种蛋白通道，负责将氯离子和碳酸氢根离子运输穿过细胞膜。威尔士在阐明CFTR功能及其在CF中的突变致病机制方面作出重大贡献。冈萨雷斯开发出基于荧光共振能量转移（FRET）的电压传感器检测技术，用于筛选能修复突变CFTR蛋白功能的药物。内古列斯库作为CF项目领军人物二十余年，组建了具备大规模突变特异性药物测试与创新药物化学能力的团队。内古列斯库团队研发的四款获美国食品及药物管理局（FDA）批准的药物，能有效纠正突变型CFTR蛋白的折叠、转运及活性问题。这些口服药物现已惠及全球数万名CF患者，其研发历程堪称生物医学研究与临床医学史上的里程碑。

拉斯克-科什兰医学科学特别成就奖。本年度获奖者露西·夏皮罗（Lucy Shapiro，斯坦福大学）因在生物医学领域长达55年的卓越成就而获此殊荣——其在细菌遗传学领域的开创性发现、创立斯坦福大学杰出的发育生物学系，以及在国家层面的领导贡献与服务均获表彰。在对新月柄杆菌的开创性研究中，夏皮罗剖析了分裂细胞产生具有不同发育命运的子代细胞的机制，建立了目前最深入理解的不对称细胞分裂系统之一。除了在斯坦福大学的科研与学术领导工作外，她还曾担任克林顿总统及其内阁在生物恐怖主义威胁、抗生素耐药性及新兴传染病领域的核心顾问，并在小布什政府时期继续担任国土安全部顾问。其影响力更通过哈佛大学、怀特黑德研究所/麻省总医院及巴斯德研究所的科学顾问委员会得以延伸。她与史蒂夫·本科维奇共同发现了一类新型硼化合物。两人联合创立了两家企业，致力于开发针对指甲和甲床感染的抗真菌药物、治疗特应性皮炎的外用PDE4抑制剂，以及防治香蕉真菌病的硼化合物。

参考文献

[1] E. W. Sutherland, Studies on the mechanisms of hormone action (Nobel Lecture). Science 177, 401–408 (1972)

[2] E. W. Sutherland, G. A. Robison, Metabolic effects of catecholamines: The role of cyclic- 3′, 5′- AMP in response to catecholamines and other hormones. Pharmacol. Rev. 18, 145–161 (1966).

[3] Online catalogue for Cell Signaling Technology®. https://www.cellsignal.com. Accessed 22 July 2025.

[4] C. F. Cori, “Earl W. Sutherland, 1915–1974” in (National Academy of Sciences, Washington, DC, 1978).

[5] W. S. Rubin, Frank Stella (The Museum of Modern Art, New York, NY, 1970).

[6] M. Auping, Jasper’s Dilemma (Whitney Museum of American Art, Audio archive, 1962). 30 October 2015. https://whitney.org/audio-guides/18?stop=13123.

[7]M. Auping, Frank Stella: A Retrospective (Yale University Press, New Haven, CT, 2015).

[8] S. Guberman, Frank Stella: An Illustrated History (Rizzoli International Publications, Inc., New York, NY, 1995).

[9] P. Larson, Frank Stella: The Fountain (Tyler Graphics, Ltd., Mount Kisco, NY, 1992).

[10] F. Stella, Frank Stella: Recent sculpture (2024). https://deitch.com/new-york/exhibitions/frank-stella-recent-sculpture. Accessed 22 July 2025.

[11] M. H. Miller, Revisiting ground zero. New York Times, 23 November 2021. https://www.nytimes.com/2021/11/22/arts/design/frank-stella-sculpture-world-trade-center.html. Accessed 22 July 2025.

[12] A. Russeth, “Frank Stella, American artist who moved from proto- minimalism to extreme abstraction, dies at 87.” 4 May 2024. https://news.artnet.com/art-world/frank-stella-dead-87-2481352.

[13] R. Mnuchin, M. McGinnis, Frank Stella (1936–2024) An Homage (Catalogue, Mnuchin Gallery, New York, NY, 2024).

[14] K. Daum, 20 Quotes from Leonardo da Vinci to inspire you: Want to be great at many things? Learn how from the original Renaissance man. Inc., 9 May 2016. https://www.inc.com/kevin- daum/20- quotes- from- leonardo- da- vinci- to- inspire- you.html. Accessed 22 July 2025.

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