施一公：我對科學(xué)研究的體驗

施一公　胡雨寒　程璽　田姬熔

我的博士后導(dǎo)師尼古拉?帕瓦拉蒂奇（Nikola Pavletich）只比我大一歲半，很年輕，是美國科學(xué)院院士，他曾8年間在《自然》和《科學(xué)》上發(fā)了30篇論文，我認為他的工作可以寫成兩本教科書。在此，我想說方法論中很重要的一點——不能簡單地接受別人告訴你的事情，自己要思考，而且要有批判性思維（critical thinking）。

方法論的轉(zhuǎn)變

我在麻省理工學(xué)院面試博士后時，尼古拉的導(dǎo)師（也是美國科學(xué)院院士）告訴我，尼古拉特別聰明，能精讀26種科學(xué)期刊，知識淵博，能力非常強。我聽后特別震驚，因為我也讀文章，讀上兩三本期刊就沒時間做研究了，覺得讀文章很占時間，顧此失彼。

我想，一個人怎么會這么強大，做這么好的研究，讀這么多的文章，還什么都懂——這也是我去他的實驗室做博士后的原因。

有一天，我看到《自然》上有篇文章非常精彩，它闡述的是結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的一項重大發(fā)現(xiàn)。我精讀了一遍，想證明自己讀得很不錯。當時，這個成果剛發(fā)布一周，我就拿著文章去辦公室找尼古拉。

“尼古拉，這篇文章做得很漂亮，我很想和你討論一下?！蔽艺f。

“這個……”他尷尬地笑了笑，“一公，抱歉，這篇文章我還沒讀?！?/p>

我想這可能是他最近太忙。過了一兩個月，我又看到一篇很好的文章，又花了幾個小時精讀一遍，讀得很透。我再次敲尼古拉的門，“尼古拉，這片文章發(fā)表兩周了，做得很漂亮。我覺得有些東西可以學(xué)，和你討論一下，如何？”

尼古拉再次尷尬一笑，說：“我還沒讀?！?/p>

我突然著急起來，問：“尼古拉你到底讀不讀文章??？”

他看了看我，說：“一公，世上最難以復(fù)制的是時間。我的時間很有限，真的沒多余時間去讀這篇文章?！?/p>

這對我觸動非常大，使我懂得在不同領(lǐng)域、不同課題階段會有不同的要求。在他當時的階段，他當然沒時間讀這樣的文章。他是卓越的科學(xué)家，要做更高層面、更具創(chuàng)造性的事，并不按傳統(tǒng)的說法“一定要怎么做”。

還有一次，我們在尼古拉的實驗室做生物學(xué)實驗，嘗試抽放一個蛋白質(zhì)的蛋白，做了整整兩天還沒能拿到，我不知道哪里出了問題，很失望。

“結(jié)果如何？”尼古拉問我。

“抱歉，還沒得到任何結(jié)果?！蔽艺f，“但不用擔(dān)心，我會盡全力找到問題出在哪里，再重新做?！?/p>

“一公，你為什么一定要找到實驗沒有成功的原因呢？”尼古拉問我。

我很驚訝，說：“尼古拉，如果不知道失敗的原因，怎么能繼續(xù)工作呢？”

尼古拉的回答非常干脆：“再仔細做一遍，就會成功?！?/p>

對生物學(xué)大型實驗來說，兩三天的實驗有幾十個步驟。一個一個步驟做下來，以此弄清哪一步出問題的話，至少得花半個月。尼古拉說“再做一次”，有可能是實驗中加錯了酶或其他原因，再做一遍的成功性很大。結(jié)果果真如此。這讓我明白——做科研并非找不出原因就無法進步，而要視情況。一個問題困擾你多年，不找出問題課題無法前進的話，確實需要繼續(xù)努力；如果是一個技術(shù)錯誤，是不需要花費時間找原因的。這就是尼古拉給我第二個啟發(fā)。

高中階段以學(xué)習(xí)知識為主，那時并不特別注重舉一反三的思維能力訓(xùn)練。邁入大學(xué)，就要開始自覺轉(zhuǎn)變——從汲取知識到創(chuàng)造知識。讀碩士、博士時，就可能創(chuàng)造知識。可以想象，本科階段的一節(jié)課是前人幾十年總結(jié)出的經(jīng)驗，而你只用50分鐘就學(xué)完了。等讀博時，也許五六年的科研工作也很難成為教科書里的只言片語。這就是其中的艱辛和艱難，成長和轉(zhuǎn)變很不一樣，需要在大學(xué)伊始盡快轉(zhuǎn)變思維，這就是方法論的轉(zhuǎn)變。

挑戰(zhàn)學(xué)術(shù)權(quán)威

挑戰(zhàn)學(xué)術(shù)權(quán)威對中國學(xué)生尤為關(guān)鍵。中國學(xué)生常認為老師講的大部分是對的，或基本上是對的。即使錯，也以為自己沒有理解好。

有一次我在普林斯頓大學(xué)講課，學(xué)生在課堂上提了一個問題，其實我不知道答案，但覺得能推測出一個。我講了幾句后，學(xué)生當場就反駁了我：“施老師，這好像不是真正的原因，我覺得你講得不對?！蔽覞M臉通紅，雖沒在課堂上承認，但我知道的確講錯了。這件事對我的觸動很大。但是我在清華課堂上重講一遍同樣的回答，很多同學(xué)皺眉思考，他們明明知道有問題，最終還是接受了，覺得施老師不會錯。

其實，每個人都會犯錯，世上沒有絕對的客觀觀點，敢于質(zhì)疑特別重要。

我從小就“愛出風(fēng)頭”。下面的故事，和我博士導(dǎo)師杰里米?伯格（Jeremy Berg）有關(guān)。

杰里米出生于1958年，我去他實驗室讀博時他才32歲，是美國比較年輕的終身教授。有一次開組會，杰里米走進來，看樣子心情激動，他說：“今天的組會我來講吧！”他平時是輕易不主講的。他在黑板上畫了一個立體的矩形，中間畫了一個隔板，左邊標注氧氣，右邊標注氮氣，隔板一拉，里面的氣體開始發(fā)生物化作用。杰里米由此推導(dǎo)公式，寫滿了整整一個黑板，最后得出了驚人的結(jié)論：熱力學(xué)第二定律是錯的！

這非常有可能，不要小瞧杰里米。有一次開車時，他突然想到了吸脂蛋白（當時美國很多人做這個蛋白的結(jié)構(gòu)，但都沒做出來），想到蛋白應(yīng)該是正四面體的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)預(yù)測得非常精美，是美國科研史上非常有名的事件，過了兩三年大家才用實驗驗證了這個預(yù)測。他是一個天才。

杰里米在黑板上推算時，我發(fā)現(xiàn)公式里出現(xiàn)了三處錯誤，都是概念性的錯誤，很難察覺。那是1992年的下半年，我在實驗室呆了近三年，還是不太敢跟杰里米講話，因為他不茍言笑，非常嚴厲。那是我第一次和他正面交流：“杰里米，這其中好像有些錯誤。”我說。

杰里米瞪眼問我：“錯誤在哪兒？”

我壯了膽指出了幾處錯誤，我講時他滿臉通紅，一句話也不說，看看我，再回頭看看黑板。實驗室里的美國學(xué)生很有意思，七嘴八舌地說：“杰里米的推導(dǎo)一點兒沒錯，挺好！”“就你有能耐！”那時，我感覺“出錯風(fēng)頭”了。

果然，杰里米很不高興，他說：“今天的組會到此結(jié)束?！闭f完他就走了。實驗室里的其他人也沒理我，各自做實驗，言外之意：你把這個局給攪了！我也很郁悶，吃完飯便默默地回去做實驗。

下午兩點，杰里米回來了。他一進來就說：“YG（他不叫我一公，叫我名字的縮寫），你是哪個學(xué)校畢業(yè)的？”他居然還不知道我來自哪個大學(xué)！我在這個實驗室都已呆了近三年。

“我畢業(yè)于清華大學(xué)?！?/p>

“清華大學(xué)在哪里？”

我很受刺激，說：“清華是中國最優(yōu)秀的大學(xué)之一?！?/p>

“原來如此?！彼c點頭，又問：“是誰教你《物理化學(xué)》這門課？”

“朱文濤教授。”我回答。

“朱教授一定是非常杰出的科學(xué)家?！苯芾锩渍f，“你們清華真的很卓越（remarkable），一定有很多非常優(yōu)秀的物理化學(xué)家在教你們，這樣的概念一般人不懂。”

從此他對我刮目相看，因為他平時實在是太高高在上了，我甚至有些怕他。

這件事讓我的心情豁然開朗，下午三點半，系里一位很有權(quán)威的教授在走廊里喊我：“YG！YG！祝賀你！”我摸不著頭腦，老師告訴我：“聽杰里米說，你解決了一個重大的問題！”

這個故事引發(fā)很多思考，首先想到的就是“挑戰(zhàn)學(xué)術(shù)權(quán)威”。其實，我很怕這位導(dǎo)師，但他講錯后我還是指了出來。請不要忘記，他的初衷亦是挑戰(zhàn)一個更加不可思議的學(xué)術(shù)權(quán)威——公認的熱力學(xué)第二定律。

科研四階段

對我來說，做研究有四個階段。

第一個階段是博士畢業(yè)之際。之前，我還不知道“研究”為何物，因為生命科學(xué)的道路漫長，我以數(shù)理見長，對生命科學(xué)領(lǐng)域的入門比較慢，很難找到自己的方向。博士畢業(yè)前一兩年，我突然覺得找到方向了，開始有好的表現(xiàn)。首先，我聽講座時能聽得明明白白，即使不是自己的研究方向，也能理解得很好。其次，我意識到做研究不過如此，知道該怎么做，開始有自信了。

第二個階段是博士后期間。我感覺眼界突然放寬了，從一個領(lǐng)域跳到了另一個截然不同的領(lǐng)域，從一個實驗室風(fēng)格換成另外一個實驗室風(fēng)格，這種感覺讓我敞開心扉——原來課題是這么選擇的！尤其當我再進入一個新實驗室，能看到別人是如何選擇課題的，并逐漸意識到科學(xué)家的課題要通過批判性思維進行。我開始思考該怎樣選擇重要的課題，怎樣選擇研究，怎樣才能做得不錯。

不過，我把第三個階段稱作“變形”（metamorphosis），這個詞很有意思。2002年12月之前，也就是我在普林斯頓大學(xué)拿到終身教授的前后，那時我的自信心膨脹，曾有一段時間很得意，覺得自己的科研很出色。是的，那時我就是這種感覺。我為什么要這么說？是為了與第四個階段對比。

2007年，我在清華建立了實驗室，2009年以后，我開始思考做更大的規(guī)劃——應(yīng)該在哪些地方布局？怎樣把研究做到極致？

那時，有幾個有利因素起了作用。我第一次感覺到做研究的“極大快感”：把中學(xué)時學(xué)到的物理化學(xué)知識應(yīng)用到研究上，首次用跨學(xué)科的思維方式和以前的知識來理解我所研究的細胞。同時，我開始意識到以前學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的態(tài)度是錯誤的。為什么？讀本科時，常說的一個詞是“學(xué)以致用”。但“學(xué)”并不是為了“用”，學(xué)基礎(chǔ)知識的目的并不是將來就要在工作中用，這是一個極端錯誤的觀點。我認為“學(xué)”是為了打開思維方式，為了變得更聰明，學(xué)會方法論從而進行研究（the method of investigation）。

我讀大學(xué)時曾經(jīng)很苦惱，總覺得學(xué)這門課沒用，學(xué)那門課以后的工作也用不上——這是我的第一個誤區(qū)。工作后做獨立實驗，我確實有這種感覺，甚至還告訴學(xué)生：95%甚至99%的基礎(chǔ)課程內(nèi)容用不上（當時我已是普林斯頓的終身教授了）——這是我的第二個誤區(qū)。畢竟當時的我還只在那個層次上，只能看到這樣的觀點。我現(xiàn)在告訴大家，想真正做拔尖創(chuàng)新、立志將研究做到世界前沿，所有的知識和內(nèi)容都用得上。2013年夏天，我還在看中學(xué)物理，我認為細胞生物學(xué)和其中的很多知識都有著強烈的聯(lián)系。

2009年，我得到一個科研發(fā)現(xiàn)，讓我突然覺得中學(xué)的物理、數(shù)學(xué)，以及大學(xué)的微積分知識其實與細胞、生化實驗和結(jié)構(gòu)實驗有很大關(guān)聯(lián)。所以，2009年之后我在清華的工作讓我進入了第四個階段：脫胎換骨。

我不知道將來還會不會有第五個階段，我很期待。

科學(xué)家的“脾氣”

科學(xué)家是需要脾氣的。你可以“外圓”，但一定要“內(nèi)方”。

我的一名博士后非常有“脾氣”，他的“脾氣”聽起來更像是缺點——固執(zhí)（stubborn）。他固執(zhí)到不愿學(xué)新東西。聽起來不可思議，卻值得肯定。他來實驗室的第一天，做了有關(guān)APEC One蛋白的研究，實驗過程需要添加還原劑，我讓他用二巰基蘇糖醇（DTT）試一試。我講了很多次，他總是點點頭。但是，第二天實驗并不成功，我詢問細節(jié)，他的回答躲躲閃閃。

一年半后，他特別開心地跟我說：“一公，這個實驗我終于完成了，APEC ONE蛋白的表達很好，refold也很好。”

“你怎么做成的？”

“一公，我真的該在一年半前聽你的建議用DTT，但是如今我才使用，得以成功。”他紅著臉說。

實在不可思議，他居然足足固執(zhí)了一年半，歷經(jīng)無數(shù)次試驗?！翱墒且还?，我就這個毛病，太固執(zhí)，從小就這樣?！彼χf。不要小看他的脾氣，我曾問他為什么來我這兒做博士后，他的一番話令我很受感動。有一次，我給他打電話，說：“以你發(fā)表的文章，完全可以到美國的公司工作，而且會有一份很不錯的工作，為什么一定要做博士后，一定要到我這兒來呢？”

他講了他的成長背景。他出生在農(nóng)村，中專畢業(yè)后在陜西農(nóng)村做了三年高中教師，才考上了北大的博士生。他還說：“一公，我從小就有一個夢想：做洋人的老師?！边@句話樸實，我聽了很感動，“你來我這兒可以幫你實現(xiàn)夢想嗎？”我問。

“可以。”他說，“到你這兒做研究，發(fā)表兩篇好文章，也許就能成為洋人的老師了?！?/p>

我曾一度放棄了他，覺得他做不了，因為他不夠聰明，也不夠機靈，太固執(zhí)。他做博士后，家里一貧如洗，我去過他的家，三個孩子，愛人沒工作，住房也不好，但他什么也不多想，只牢記夢想。我相信他能成功，因為他時刻都在追求。七年前，他獲得了美國生物領(lǐng)域排名前25的一所大學(xué)的助理教授資格，2012年底，他拿到這所學(xué)校的終身教授。

如今有這樣“脾氣”的人并不多，我們很難堅持自己的一些東西，難成大器，沒有自主和自我意識。所以，任何時候都能保持自己的“脾氣”，堅持自己的理想。

研究體系的重要性

這是一個新概念。

我認為科研有三大要素。第一個要素是技術(shù)，指的是細節(jié)，比如學(xué)會灌膠、做曲線，不懂基本技術(shù)沒辦法做研究。技術(shù)，只是研究的一個工具，對初學(xué)者極為重要，前期大家所學(xué)的知識多數(shù)是技術(shù)。遺憾的是，有的博士生畢業(yè)時掌握的還只是技術(shù)。這樣的話，僅僅是技術(shù)員（technician），而不是哲學(xué)博士（doctor of philosophy）。對數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物來說，應(yīng)該強調(diào)研究方法，不能用知識的多少和技術(shù)的高低衡量。等研究的領(lǐng)域越深越多時，會發(fā)現(xiàn)技術(shù)所占的比例越小。我們應(yīng)根據(jù)研究課題決定用什么技術(shù)，而不是從懂得什么技術(shù)出發(fā)找問題。

第二個要素是提問。盡管我們強調(diào)多提問，卻極少教學(xué)生該怎樣提問，什么樣的問題才算是好問題。高中時的提問沒太大區(qū)別，多數(shù)是舉一反三。真正的好問題非常關(guān)鍵，甚至可以創(chuàng)建一個全新的領(lǐng)域，可以讓科研人員進入學(xué)術(shù)的黃金期，它不只是技術(shù)或?qū)嶒炑芯糠椒ㄉ系膯栴}，涉及的范圍非常寬廣。2001年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者蒂姆?亨特（Dr.Tim Hunt）曾說：“在研究過程中，也許最重要的是選擇一個什么樣的問題。最能區(qū)分科學(xué)家們能力的不在于他們所掌握的技術(shù)技能，而在于他們真正所感興趣的問題。”

第三個要素就是教育經(jīng)常忽視的，也就是研究體系。什么是體系？體系是研究所有科學(xué)問題的載體，研究時沒有體系或體系出錯，是做不出東西的。那么，技術(shù)、提問和體系三者是什么關(guān)系？技術(shù)，是裝飾，比如汽車的門、座位或車身上噴的漆，本科生對于這些很感興趣。為什么？因為這些是本科生首先能看到的。提問就像“引擎”，沒有“引擎”的“火車”跑不起來。體系是載體，提出的問題和體系不一致時，做不出東西。即使問題很重要、正確，但問題的“引擎”是給“汽車”使用的，硬要裝在“飛機”上，還是無法飛起來。

正確的研究體系可以發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題，這就如同看到“飛機”才知道它的“引擎”該做多大，該怎樣設(shè)計，怎樣最適合“飛機”。所以，并不全是通過問題才能建立體系。

1964年，諾獎獲得者蒂姆?亨特開始讀博，這時的他發(fā)現(xiàn)了什么問題嗎？沒有。但他已有一個強大的科研體系——兔子的紅細胞。蒂姆?亨特在紅細胞沒完全成熟時將它們收集起來，把它們打開，把膜、油脂離心掉上清，發(fā)現(xiàn)了大量的核糖體合成蛋白，有很多養(yǎng)分，他用這個體系發(fā)現(xiàn)了巨大的“商機”。他覺得這其中肯定有很多重大發(fā)現(xiàn)，也許可以獲諾貝爾獎，于是他用這個體系做蛋白的合成。

1964～1977年，蒂姆?亨特一無所成。他的體系很強大，憑此可以拿諾獎，可他還在找問題，在找“引擎”。此外，他開始關(guān)注其他體系——海膽卵。海膽卵是新的研究體系，對科學(xué)發(fā)現(xiàn)很重要。1982年7月的一天下午，蒂姆?亨特做了一個實驗，就是這個實驗讓他既發(fā)現(xiàn)了問題也找到了答案，而且還獲得了諾貝爾獎。一般來說，諾獎的獲得不來自于問題，而是研究體系的建立。體系的建立來源于綜合的經(jīng)驗，建立一種直覺，目前還沒有明確、可以學(xué)習(xí)的方法讓大學(xué)建立科學(xué)體系，能做的就是不斷理解、思考科學(xué)史，看看前人是怎么做到的，我們自然會有靈感。

（根據(jù)施一公院士在清華大學(xué)“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃”學(xué)生學(xué)術(shù)交流會上的報告整理，有刪減。）

責(zé)任編輯：尹穎堯