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[转载] 西北大学破解达尔文世纪难题,中国科学研究呼唤更多“理论创新”

已有 554 次阅读 2021-9-5 22:48 |个人分类:转载|系统分类:论文交流|文章来源:转载

本文来自周雁翎科学网博客。
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西北大学破解达尔文世纪难题,中国科学研究呼唤更多“理论创新” 


文 / 周雁翎 

 


(图片提供:李北巍)

 

“近几十年来,中国古生物学研究十分活跃,在具体科学发现上做出了许多重要贡献,但在重要理论创新上,却极少或者几乎没有;而舒德干的‘三幕式寒武纪大爆发假说’,是中国学者在理论创新上的重要突破。”中国古生物学会前理事长穆西南以其卓越的学术鉴赏力,对中国学者在国际古生物学领域所取得的成就,进行了高屋建瓴的总结和评价。

穆西南所说的中国古生物学家“在具体科学发现上做出了许多重要贡献”,这是符合事实的。近几十年来,中国的古生物学研究,的确做出了很多世界公认的成果,在众多自然科学研究领域中,是少数几个能够居于国际学术前沿的领域之一。然而,在穆西南的总结和评价中,值得我们高度关注的是,中国学者的“重要突破”,并非在“许多”“具体科学发现”上,而是在“三幕式寒武纪大爆发假说”这个“理论创新”上。

至于这个重要“理论创新”的具体内容和核心要点,思想之源和化石证据,论证逻辑和系统构架,以及它所具有的核心价值,舒德干和韩健在《澄江动物群的核心价值:动物界成型和人类基础器官诞生》(《地学前缘》第27卷,第6期,202011月)以及其他相关论文中都有详细阐述,学术共同体也有定论,本文不再赘述。(读者可参考文末附录一、附录二、附录三)

我想强调的是,穆西南的这个总结和评价,虽然针对的是古生物学研究,但是,对于当前中国科学研究的现状,仍然具有很大的启示作用。

 

近年来,中国的科研人员越来越多,发表的论文数量呈爆发性增长。根据《中国统计年鉴(2020)》以及科睿唯安(Clarivate)数据,2019年,中国R&D人数为480.1万人(其中基础研究人员为39.02万人),发表SCI论文47.14万篇(按全作者计算),超过美国,排名世界第一。从2015年至2019年,短短5年时间内,中国R&D人数增加了104.2万人(其中基础研究人员增加了13.72万人),发表SCI论文数量增长了18.89万篇。

20218月上旬,日本文部科学省科学技术学术政策研究所,发布了一份世界自然科学论文影响力最新排行报告。这份报告对全球主要国家的科技论文数量进行了统计分析, 2015年到20195年内,美国共发表SCI论文187.69万篇,中国共发表SCI论文180.95万篇。

这份报告同时对全球主要国家的科技论文质量进行了评估。

衡量论文质量的重要指标之一,是论文的被引次数。而被引次数排名前1%的论文,被视为顶尖高质量论文。在2015年到20195年内,全球论文被引次数排名前1%的顶尖高质量论文中,美国34875篇,占44.96%;中国23334篇,占30.08%

虽然中国SCI论文数量从2018年开始迅速超越美国,成为世界第一,但是,中国1%顶尖高质量论文数量,仍然较大幅度落后于美国。

根据以上数据,还可以得出中美1%顶尖高质量论文产出比例,中国是1.29%,美国是1.86%。中国顶尖高质量论文的产出比例,也比美国要低很多。当然,这个数据也说明,全球顶尖高质量论文的产出比例,总体上也是很低的。

的确,中国的科研论文在数量上出现了大幅增长,科研水平在总体上也有很大提升,但中国顶尖高质量论文数量和产出比例,存在比较大的结构性问题。这种结构性失衡,在一定程度上说明,其中充斥了不少平庸之作。

比如说,不断合成化合物,检测物质成分,分析物质结构,鉴定物种并进行分类,对不同物种的基因进行测序,以及一些类似的机械重复工作,都可以连续发paper,连续发article;也有人把一篇本应该一次发表的较大论文,拆分成几篇较短论文。这样,就可以在短时间内提高论文产出量。这在业内都是心照不宣的“技巧”。当然,这样做的直接好处,就是可以快速升职,快速评头衔,也可以快速申请到更多研究经费。

我并不是说这样的研究完全没有必要,而是说一些不断重复的“研究工作”并由此产出的系列平庸“论文”,还是越少越好。我之所以这样说,并不是批评当前科研评价机制的导向,而是因为科学计量学给我们揭示了一个更为深层次的问题:

早在50年前,科学计量学先驱、耶鲁大学教授普赖斯(Derek John de Solla Price),就曾提出过科学论文增长的统计模型。他发现,现代科学论文在多数时间里,呈指数增长趋势。但是,许多论文发表后,并没有任何人引用;即使被引用,没过多久,很多就被新的论文所淹没。甚至就连孟德尔开创经典遗传学新时代的论文,也被埋没了35年之久(当然,这个案例还有一些其它原因,比如同行对孟德尔的轻视和打压等),更何况那些普通论文。有人统计,从1955年到2011年,SCI数据库中的论文数量大约是4143万篇。在这个巨大的论文海洋中,相对于同时期产生的新的科学思想而言,大多数论文的价值难道不是可疑的吗?

就中国的情况来看,每年产出的数十万篇科学论文中,真正的原理性发现和理论创新又有多少呢?

清华大学技术创新研究中心曾经发布过一个《国家创新蓝皮书》,研究结果表明:中国科技人力资源总量稳居世界第一,但是人均产出效率大幅度落后于发达国家,特别是高端创新型人才非常短缺。这个结论,包括了技术创新、管理创新、制度创新,当然也包括了基础科学研究创新和知识创造。

 

中国要成为科研大国,更要成为科研强国,这已经成为中国政府和科学共同体的共识。现在,中国已经成为名副其实的科研论文产出大国,那么,如何才能成为科研论文产出强国呢?答案非常简单:大幅度提高论文质量。中国缺的不是成千上万的“科研民工”和“科研包工头”,中国缺的是“大科学家”,或者说“科学大家”。

那么,什么样的科研人员能称得上是“大科学家”或者 “科学大家”呢?这个问题回答起来还真不容易,也没有统一的标准。在不同的时代、不同的学科、不同的国家,甚至不同的意识形态中,都有不同的答案。但有一点是共同的,他们都具有“哲学”思想。或者换一种说法,他们应该是“哲人科学家”。

爱因斯坦曾经说,“与其说我是物理学家,不如说我是哲学家”。显然,这里所说的“哲学”,与经院哲学不同,与大学哲学系开设的哲学史类课程不同,与现代流行的科学哲学也不同。实际上,这些大科学家的所谓“哲学”,主要是指“系统化的科学知识和科学思想”(当然,有些大科学家也有形而上的研究,这个内容不在本文的讨论范围内)。在科学史上,“自然科学”这个词出现之前,对自然界的系统化研究就被称为“自然哲学”。譬如,牛顿的《自然哲学之数学原理》、道尔顿的《化学哲学新体系》、拉马克的《动物哲学》、林奈的《植物哲学》等等,这些伟大著作的标题中都冠以“哲学”一词,就是体现了各自在相关领域的“系统化的科学知识和科学思想”。

历史上所有的大科学家,都在科学理论上具有重大的突破,他们无一不是思想家,也因此常常被称为“哲人科学家”。即使是实验科学家,他们的实验也渗透着强烈的科学理论,而这个实验很可能就是判决性实验,对科学理论进行检验,使得科学理论从一个范式转向另一个范式,从而推动科学理论的发展——或者被抛弃,或者重新划定边界、迭代升级。

实际上,科学有多个维度,除了科学知识的维度,还有科学思想、科学方法和科学精神的维度。科学的最高境界,应该是科学思想的维度。当中国大量的科研人员沉迷于发表科研论文时,是否想过自己这篇论文在科学思想层面的价值?是否想过在科学理论上有所“创新”?

希望中国的科研人员,在埋头做研究和发表论文的同时,不妨抬起头来仰望星空。那里群星闪耀,也许未来你可以成为其中最亮的那一颗。

 

科学研究如果离开了系统化的科学知识和科学思想,就是一堆零散的材料。换句话说,科学研究发现的大量微观事实,需要系统化的科学思想把它们联系起来、综合起来、统一起来。

正是在这种意义上,我并不否定普通科研人员的重要作用。实际上,在科学研究中,一些重要的科学发现,正是建立在前人和他人研究文献的基础之上。从某种意义上说,如果没有大量的普通科研人员在日复一日、年复一年地从事搬砖、运瓦、抹灰、扛木料的工作,就不可能建立起科学的所罗门宫。一些最伟大的科学家,甚至站在“巨人”肩膀上,对前人的工作进行“综合”,才创造出辉煌的科学宫殿。

就此而言,门捷列夫(Dmitri Mendeleyev)发现元素周期律的案例,对我们理解“三幕式寒武纪大爆发假说”的建立,也许具有一定的参考意义。

从化学元素发现史上看,门捷列夫并不是唯一提出元素分类方案的化学家。从1789年到1869年这80年间,已经有法国化学家拉瓦锡(A. Lavoisier)、德国化学家德贝赖纳(J. W. Döbereiner)、英国化学家奥德林(W. Odling)、德国化学家迈耶尔(J. L. Meyer)、英国化学家纽兰兹(John Newlands)等上十位化学家,先后提出了各种元素分类方案,其中有图形方案,有表格方案,也有与门捷列夫周期表非常类似的方案。他们给门捷列夫发现化学元素周期律,提供了思想和方法上的参考。

此外,从当时积累的元素数量上看,门捷列夫在1869年发表的元素周期表中,已经列出了前人在漫长的时间内发现的63种元素。正是因为有了这些“大数据”,门捷列夫才有可能在一定范围内对这些元素的物理和化学性质进行比较,从而找到内在变化规律。

1900 年,著名化学家拉姆塞(William Ramsay)将门捷列夫的元素周期律,称为“化学领域迄今为止最伟大的总结”。

事实上,门捷列夫的思想最初并没有引起多大注意,按照物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)的解释,是“因为当时的化学家更多地从事于搜集和取得各种事实,而对思考这些事实间的相互关系,重视不够”。

同样,舒德干和他的团队,既不是最早对澄江生物群进行具有历史意义发掘的人,也不是得天独厚拥有化石最多的人,更不是研究地球早期生命发表论文最多的人。那么他们为什么能够提出这样一个“三幕式寒武纪大爆发假说”?因为他们对30多年来中国古生物化石积累的“大数据”足够重视,由此出发,利用古地质学、古生物学、古生态学、现生生物学、分子生物学、胚胎发育学、遗传学、人类学、统计学乃至某些人文社会科学的研究成果和思想方法,并借助现代技术手段,特别是借助理论思维和逻辑推理,对整个生物进化史进行系统地梳理,最终发现了三幕式寒武纪大爆发与动物树阶段性快速成型的耦合。这个假说正是建立在对各种零散“事实”进行联系和总结的基础上,并最终将它们综合、统一起来。而这个“小”综合与“小”统一,又被置于达尔文地球生命树的“大”综合与“大”统一的框架内,进而为达尔文进化理论的自洽扎牢了根基。可以说,这是一项描绘地球早期生命创生的史诗性工作。

追求科学的统一,就是追求科学之美,这几乎是所有大科学家或者科学大家梦寐以求的理想。牛顿是这样,拉瓦锡是这样,达尔文是这样,麦克斯韦(James Clerk Maxwell)是这样,门捷列夫是这样,爱因斯坦是这样,杨振宁也是这样。

三幕式寒武纪大爆发假说,不但在拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)和达尔文以来进化学术史的理论链条上,成为至为关键的一环,而且在科学思想史和社会文化史中具有重要价值(特别是关于“人类基础器官诞生”的里程碑式研究,与人类起源直接相关,涉及到宗教、伦理、法律、政治和社会问题,相关内容超出了本文的讨论范围,笔者在此不做评论)。它将成为当代中国科研人员“理论创新”和“思想创新”的一个优秀案例,留下浓墨重彩的一笔。

21世纪是科学大交叉、大综合的时代,给科学研究留下了大量激动人心的新领域、新机遇。中国科学工作者应该始终坚持“思想自由,兼容并包”,勇于探索,不断吸收前人和当代科学共同体的研究成果,抓住新机遇,迎接新挑战,特别要在新领域中,作出更大的科学发现和更多的“理论创新”。


(本文曾于2021年7月发表于《地学前缘》第28卷,第4期,“点亮论文学术评论”栏目。现有少量修改,以此修订版为准。感谢中国科学院叶青研究员提供的帮助。)

 


 

附录一:

中国科学院南京地质古生物研究所研究员,原所长,中国古生物学会原理事长穆西南评论:

 

1984年由中国学者发现的澄江动物群在国际学术界和公众中引起重大反响,被誉为“20世纪最惊人的科学发现之一”,这一发现为研究地球上后生动物的起源与演化提供了极为重要的科学依据。此项研究成果于2003年在国家自然科学一等奖空缺6年之后获此殊荣。舒德干即为3位领衔获奖者之一。通过30余年不懈的发掘和研究,大大丰富了对5亿多年前海洋生物整体面貌的认识,但在理论上的研究和总结不足。舒德干和韩健《澄江动物群的核心价值:动物界成型和人类基础器官诞生》一文第一次对澄江动物群的核心科学价值进行了理论上的总结,在基础研究领域实现了多个从0到1的重大原创性成果:

(1)达尔文的《物种起源》天才地提出“生命树”思想,但他并不知道动物树是如何起源成型的。舒德干等人在文中首次实证了包括基础动物亚界、原口动物亚界和后口动物亚界的完整动物树框架在澄江动物群成型。

(2)达尔文渐变论面临的重大谜题是寒武纪大爆发。舒德干等人基于早期化石大数据提出的“三幕式寒武纪大爆发”假说,正确揭示了这一宏伟生命事件的本质内涵。

(3)达尔文在《人类的由来》巨著的末尾留下重大悬案:人类远祖们何时首次进化出自己的基础构造? 化石证据何在? 舒德干等人首次发现并论证了远祖们创造的“第一口”、“第一鳃裂”、“第一脊椎”和“第一头脑”的可靠证据。这是澄江动物群研究理论创新的重大突破,是中国科学家对生物进化理论研究的一大贡献。该文发表仅4个月即入选“2020年度中国古生物学十大进展”,并列入《人民日报》(5月18日)要闻版报道。学术媒介 TrendMD把此文推荐到185个国家和地区136452次,推荐给Science网站平台11608次。鉴于中国学者对生物演化理论贡献甚少,这一成果更显得尤为可贵。

提高中国科技期刊国际影响力最好的途径就是中国学者将自己顶尖的学术成果发表在中国的学术期刊上。该文发表在《地学前缘》上可谓是开了良好的先河,期待将来有更多中国学者的优秀论文发表在中国的期刊上。

(《地学前缘》第28卷,第4期,20217月)

 

 

附录二:

中国科学院院士、《地学前缘》主编王成善评论:

 

舒德干院士与韩健研究员完成的学术论文《澄江动物群的核心价值:动物界成型和人类基础器官诞生》对澄江动物群研究进行了高屋建瓴的总结,并由此初步破解了达尔文留下的几个重大科学难题:

地球动物树如何起源成型?什么是寒武纪大爆发的本质内涵?人类基础器官的源头在哪里?

(1)回顾了云南寒武纪澄江动物群三十多年的研究历史,概述了国内主要科研单位凭借澄江化石宝库为早期生命演化研究所做出的突出贡献,强调了后口动物亚界基本框架的构建;提出了埃迪卡拉生物群、寒武纪第一世的小壳化石动物群及第二世的澄江动物群与三分动物树分步成型有内在关联,由此形成了“三幕式寒武纪大爆发”的新理论。

(2)论述了澄江生物群的研究价值主要在于动物门类的起源,是深入研究和探讨国内其他埃迪卡拉纪-寒武纪软躯体化石库动物形态、结构、功能以及行为的有力支撑。

(3)揭示出包括我们人类在内的脊椎动物的主要基础器官均起源于寒武纪早期的“天下第一鱼”和古虫动物门等标志性化石,而这些进化里程碑式的远祖实证化石皆主要由中国学者发现于澄江动物群,这是该动物群独特的核心人文价值所在。

总之,澄江动物群研究代表了中国科学界给国际基础研究领域做出的一项杰出贡献,为发展和完善科学进化论提供了关键性实证支撑。

(《地学前缘》第27卷,第6期,2020年11月)

 

 

附录三:

《澄江动物群的核心价值:动物界成型和人类基础器官诞生》摘要

作者:舒德干(中国科学院院士、西北大学地质学系教授),

             韩 健(西北大学地质学系研究员)

 

澄江动物群以富含多门类精美软躯体构造化石享誉学界,是寒武纪大爆发主幕的见证者;它亲眼目睹了地球动物树上几乎所有主要门类祖先的首次大聚会。对该动物群30多年的大规模调查研究大体上可以划分为3个阶段。

始自1984年的第一个10年(1984—1994年),早期动物树上的基础动物亚界和原口动物亚界的大量门类被发现,然而对后口动物亚界全然无知。

第二个10年研究(1995—2005年),基础动物亚界和原口动物亚界中的更多门类被发现;而最重要的进展,是西北大学团队主导的早期后口动物大发现使后口动物亚界的基本框架被构建,由此地球三分动物树首次成型。
    第三个10年及其以后时期(2005年之后),3个动物亚界中进一步添加了一些新的门类认知;综合20世纪40年代以来对埃迪卡拉生物群、寒武纪第一世和第二世的珍稀动物群研究成果,学界开始思考三分动物树分步成型与多幕式寒武纪大爆发事件的内在关联,提出了三幕式寒武纪大爆发新假说。

澄江动物群研究具有多方面的科学价值,包括动物群结构研究,生态环境研究等,然其核心学术价值主要集中在如下两个方面:

(1)作为寒武纪大爆发的主幕见证者,澄江动物群首次创建了地球上三分动物树的完整谱系框架。三幕式寒武纪大爆发假说揭示了地球上动物门类由低等到高等、分阶段爆发创造的本质内涵,即历时约0.4亿年的三幕式寒武纪大爆发与动物树阶段性快速成型的内在耦合性。

第一幕发生于埃迪卡拉纪晚期,它诞生了众多基础动物亚界门类(包括大量绝灭门类),也可能出现了少量原口动物的先驱分子;

第二幕发生于寒武纪的第一世,除了延续基础动物门类的繁盛外,更创生了原口动物亚界里的主要门类(包括蜕皮类和触手担轮类);

第三幕发生于寒武纪第二世(以澄江动物群为代表),不仅延续了基础动物和原口动物门类的兴盛,更重要的是诞生了后口动物亚界里的所有门类。

至此,整个三分动物树的框架成型,寒武纪大爆发创新事件宣告基本结束。

文章还对几个重要动物类群的生物学属性进行了评述。第一鱼昆明鱼目是已知唯一的最古老脊椎动物,而云南虫、海口虫既不是脊椎动物(即高等脊索动物),也不属于低等脊索动物,而是一类特殊的低等后口动物;长江海鞘是可信的始祖尾索动物,它支持了经典的尾索动物起源假说;古虫动物门首创鳃裂构造,对后口动物亚界的起源探索提供了关键信息。

(2)澄江动物群具有深刻的人文哲学意义,所发现的古虫动物门创造的“第一鳃裂”,昆明鱼目创造的“第一头脑”“第一脊椎”“第一心脏”,为达尔文在《人类的由来》(《人类的由来及性选择》)中关于人类的主要基础器官起源悬案的破解提供了关键证据。澄江动物群承上启下,其各种形态解剖学信息对解读埃迪卡拉生物群以及寒武纪相关化石库中绝大多数生物类型都具有重要的参考价值。

(《地学前缘》第27卷,第6期,2020年11月)            

                                                                                                                                                  

       



                                

       

 

 



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