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科学环境:一个诞生了DNA模型和12个诺贝尔奖的实验室

已有 10705 次阅读 2007-7-18 13:35 |个人分类:文化|系统分类:科研笔记


  饶毅

  今年4月25日是DNA结构模型发表五十周年,是许多方面值得庆贺的日子。这里介绍英国剑桥大学的分子生物学实验室,它不仅是DNA模型的诞生地,也是12个诺贝尔奖获得者的实验场所,其成就在基础和应用上有广泛意义。这个简介也许可以使更多的人们看到:真正激动人心的原创性科学,不是通过计划产生的,而是创造优良的科学环境和管理体制让杰出的科学家靠原创性的思维和脚踏实地的努力。在目前中国科研体制积极和国际接轨时,注意到国际上有不同管理方法,借鉴良好科学环境造就的方式,也许不无裨益。

  脱胎物理 开创分子生物:辉煌的成就

  位于英国剑桥大学的分子生物学实验室(Laboratory of Molecular Biology, LMB),是世界科学史上少有的一个非常成功的研究机构。这个实验室脱胎于著名的物理研究机构――剑桥大学卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)。创立于19世纪后期的卡文迪许在历史上已经聚集和产生了一批在物理领域做出了杰出贡献的科学家,包括:第一任主任麦克斯韦(James Clerk Maxwell)上任后对电动力学和电磁理论的贡献、瑞利(James William Rayleigh )研究气体密度和电磁学等多个物理分支(1904 年诺贝尔物理奖)、汤普森(J. J. Thomson)发现电子(1906年物理奖)、芦瑟福(Ernest Rutherford)的放射研究和原子结构(1908年化学奖)、布拉格父子(William and Lawrence Bragg)的X线衍射分析晶体结构(1915年物理奖)。虽然不是他们所有最杰出工作都是在卡文迪许实验室做出来的,有过这样一批科学家是当时科学史上很突出的纪录。

  由卡文迪许衍生的LMB更创造了一个机构高峰纪录:迄今55年历史有12个诺贝尔奖获得者,其中11个获奖工作完全是在LMB进行,1个是LMB工作的继续,还有一位两度获奖(其中一个工作在LMB做的)。他们的工作涵盖基础科学(分子生物学、结构生物学、免疫学)和技术创新。

  在科学建树方面,华生(James Watson)和克里克(Francis Crick)的DNA结构模型,开创了分子生物学、推动了整个生命科学发展(1962年医学奖);佩鲁兹(Max Perutz)和肯德鲁(John Kendrew)解出最早的蛋白质结构(血红旦白和肌球旦白)(1962年化学奖);克鲁格(Aaron Klug)对于蛋白质和核酸作用的结构分析(1982年化学奖);沃克(James E. Walker)解出ATP酶结构(1997年化学奖);布勒呐(Sydney Brenner)、萨尔斯顿 (John Sulston)和霍维茨(H. Robert Horvitz)在发育的细胞和分子机理上有重要发现(2002年医学奖)。

  在技术上,佩鲁兹对X线结晶分析蛋白质有关键改进;桑格(Frederick Sanger)以前解出了胰岛素的顺序(1958年化学奖)、进LMB后发明了DNA测序方法(1980年化学奖);克鲁格改进电镜分析蛋白质结构的方法(1982年化学奖);米尔斯坦(Cesar Milstein)和 克勒(Georges Kohler)发明单克隆抗体技术(1984年医学奖)。这些技术有用于基础生物研究、也有用于医学临床。DNA测序方法和单克隆抗体这样的技术,是现代生物技术产业的重要支柱。LMB没有申请专利,成为对人类的普遍贡献。

  LMB还有至少三项重要研究是诺贝尔奖一级的:赫胥黎(H. E. Huxley,达尔文进化论早期支持者的孙子)提出肌肉收缩的分子机理(肌丝滑行学说);英格冉姆(Vernon Ingram)发现镰刀状红细胞贫血的分子发病机理(确定病因是单个氨基酸突变;他发明的用胰旦白酶切分析蛋白质的方法在生化上广泛应用);和布勒呐发现行使RNA。

  特别的环境 杰出的人才

  LMB起源于1947年。当时小布拉格是卡文迪许实验室主任,他向英国医学研究委员会(MRC)提出建立“生物系统的分子结构单元”,由MRC资助,设立在卡文迪许实验室内,起初成员是佩鲁兹和他的学生肯德鲁,以后克里克、赫胥黎、华生、英格冉姆陆续加入(克里克是做佩鲁兹的研究生、华生是肯德鲁的博士后)。1962年得到MRC更多资助,扩大为“分子生物学实验室”,由佩鲁兹等一批生物物理学家和桑格等一批生物化学家合壁,当时是一个小型、现在成为一个大型研究所(有66个课题组、二百多个研究人员)。佩鲁兹是第一任主任,以后好像桑格、克鲁格、布勒呐都做过主任(这个材料在LMB的介绍里不清楚:和中国一般介绍不同,LMB对历届主任没有清楚地列出来,其历史介绍是介绍科学工作而不是行政领导的变迁)。

  这个实验室在科学环境和管理上很特殊。这是一个精英管理的典型。从四十年代起,它的研究经费就充足到不需要实验室内研究人员愁经费来源,起初许多年,好些研究人员没有写过经费申请。第一笔经费,是物理学家布拉格帮助得到的。以后主要由实验室主任给全所申请经费。这样是研究人员可以几乎全部精力集中于科学研究。

  实验室是精英评价制度。最初的精英选拔以后的精英,靠对科学才能的洞察力、和对科学研究的深刻理解,选拔杰出的人才、支持他们的研究。实验室不鼓励发表论文的数目也不在乎在什么杂志,而支持扎扎实实做有长期深远或重大意义的研究。佩鲁兹对血红旦白结构研究从1939年开始,进展缓慢,1953年技术改进,1959年才得到较高分辨率的结构。布勒呐1963年开始说要做线虫、1965年正式提出、到1974年才有第一篇关于线虫的论文。桑格和萨尔斯顿也都论文不多。如果经常有人在后面催赶,很难说他们能不能做出那些重要工作。布勒呐和桑格在做他们的慢工作时,固然有以前建立的名声。而佩鲁兹和萨尔斯顿在“慢腾腾”的时候,没有其它名望,是这个环境和管理体制允许和支持。这样的精英管理造成的环境,使有才能的科学家对科学生涯有信赖感,而且对自己科学工作的要求会特别高,因为不能以发多少篇什么杂志的论文来满足,而要使最大的努力,以求最重要的发现或发明。

  LMB的科学家不分年资互相激励、互相支持。而不抢其他人的发现。形成良性循环。物理学家布拉格用自己的诺贝尔奖声望在佩鲁兹缓慢的阶段支持了他和肯得鲁,佩鲁兹和肯得鲁多半时候允许和支持了克里克和华生做和他们两个导师自己无关的研究,而且,虽然佩鲁兹和肯得鲁名义上分别是克里克和华生的老师,在1953年克里克和华生研究出DNA结构后,他们没有丝毫妒忌,而老师们的研究还要继续努力,在1959年得到比较好的旦白结构,从而有了1962年四位往日师生在斯得哥尔摩同台的景观。佩鲁兹在行政和经费上支持布勒呐冒险做许多人笑话的线虫;布勒呐支持萨尔斯顿和霍维茨做细致的解聘和胚胎分析;桑格建议和支持米尔斯坦独立于自己研究抗体。这样的风气和LMB长期能产生卓越的成就,大概不会没有关系。

  LMB重视科学家的工作,但不在乎科学家的性格和研究风格的差别。以华生、克里克、布勒呐为代表的才华溢于言表的人在实验室可以和能够挑战自己的人交流、争论,而象佩鲁兹、桑格等处事为人低调者在实验室也其乐无比。双方以另一种风格为互补而不是竞争、敬重另一方的科学内涵而不在乎其表观性格。佩鲁兹晚年在文化刊物写通俗科学史和历史,我近十年喜欢读《纽约书评》(New York Review of Books),看到他去世前不久发表的一篇文章,分析二战期间德军得以成功地对法国闪电进攻的原因。

  LMB虽然地处英国上流教育中心,但它兼容并蓄,收罗各地人才。它固然有赫胥黎这样的传统科学精英家族后代,可是更有佩鲁兹这样由奥地利流亡到英国的犹太人、克鲁格和布勒呐这样由东欧流亡到南非的穷犹太人、华生这样有时给一些人最初印象是“典型的”太急功近利的美国人、和米尔斯坦这样逃离对自由派知识分子政治迫害的阿根廷人。LMB不为科学家出身的差别所影响,而重用有科学才华的人。

  对中国的参照:完善体制 创造环境

  介绍分子生物学实验室这样的研究机构,不难看出其独特的优点。其中一些也许值得中国参考。而且是多方面的:创造良好的科学环境;改进管理体制和方法;营造从科学家到学生层面的科学工作者之间相互的激励和支持;不拘学历、出身和其他表象由精英选拔和支持其他人才,等等。

  有一点特别值得思考的是佩鲁兹说的:科学发现是不能计划的。原创的科学是不可能由任何人(行政人员或者科学家)的计划来产生的,这本来是不难理解的道理,由佩鲁兹来说,更是他60多年从近处观察物理和生物学精英的体会。一些希图产生科学发现的设想和宏伟规划,最终所需经费和人员也许多于LMB,但其结果并不比LMB的好。这样情况在中国并不是没有。二战后,特别是50年代外行行政领导在中国科技体制占的比重极大提高后,又因为军事的国际形势和中国的国防需要,有过“两弹一星”这样的大规模科技项目,而且取得了重要成果。这样的成果在中国却也有时有一点副作用:助长喜好大规模组织科学技术项目。“两弹一星”的大课题是必要而且有成效的。但是,这样的课题不是科学的常规。不是经常可以有的。创造好的科学环境、支持小规模的科学研究、让有能力的人冒险和努力,似乎是更有效的支持科学研究的常规方针。

  我得说明:重造LMB这样的机构,在任何地方都是不容易的。我不是说中国一定要有这样的机构。但是,目前中国科技体制在进行相当大的变化。其中有一个重要的目标是“和国际接轨”。在纪念DNA五十周年的时刻,我举出LMB的例子,一部分目的是谈一个科学趣事,一部分目的是使中国科技界多一些人士了解国际科学管理体制有多种多样。这样也许中国就不会认定美国目前占主导地位的模式是唯一中国要和“国际接轨”的模式。美国目前主导模式是要求几年(3到5年)之内要在影响力大的杂志发表论文,虽然如果有根本性重要发现在美国是受尊敬和肯定的,而且美国也有这样的发现,但是如果说美国目前主导模式本身是最有利于科学家从事这样的研究,是会有争议的。这里传统的LMB不同于美国目前模式。目前德国的最重要研究机构――马普学会(规模如中国科学院有许多研究所)的模式也不同于美国。马普是以较大量经费支持约二百多个所长,每个所长主持实验室相当于一个小系的规模。提倡研究长期和根本的科学研究。

  是否和如何选择美国目前主导模式、德国马普模式、英国LMB模式、和其它模式,甚至有些结合,好像是需要探讨的。

  本文2003年发表于《南方周末》


诺贝尔情结
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