施一公：我对科学研究的体验

施一公　胡雨寒　程玺　田姬熔

我的博士后导师尼古拉?帕瓦拉蒂奇（Nikola Pavletich）只比我大一岁半，很年轻，是美国科学院院士，他曾8年间在《自然》和《科学》上发了30篇论文，我认为他的工作可以写成两本教科书。在此，我想说方法论中很重要的一点——不能简单地接受别人告诉你的事情，自己要思考，而且要有批判性思维（critical thinking）。

方法论的转变

我在麻省理工学院面试博士后时，尼古拉的导师（也是美国科学院院士）告诉我，尼古拉特别聪明，能精读26种科学期刊，知识渊博，能力非常强。我听后特别震惊，因为我也读文章，读上两三本期刊就没时间做研究了，觉得读文章很占时间，顾此失彼。

我想，一个人怎么会这么强大，做这么好的研究，读这么多的文章，还什么都懂——这也是我去他的实验室做博士后的原因。

有一天，我看到《自然》上有篇文章非常精彩，它阐述的是结构生物学领域的一项重大发现。我精读了一遍，想证明自己读得很不错。当时，这个成果刚发布一周，我就拿着文章去办公室找尼古拉。

“尼古拉，这篇文章做得很漂亮，我很想和你讨论一下。”我说。

“这个……”他尴尬地笑了笑，“一公，抱歉，这篇文章我还没读。”

我想这可能是他最近太忙。过了一两个月，我又看到一篇很好的文章，又花了几个小时精读一遍，读得很透。我再次敲尼古拉的门，“尼古拉，这片文章发表两周了，做得很漂亮。我觉得有些东西可以学，和你讨论一下，如何？”

尼古拉再次尴尬一笑，说：“我还没读。”

我突然着急起来，问：“尼古拉你到底读不读文章啊？”

他看了看我，说：“一公，世上最难以复制的是时间。我的时间很有限，真的没多余时间去读这篇文章。”

这对我触动非常大，使我懂得在不同领域、不同课题阶段会有不同的要求。在他当时的阶段，他当然没时间读这样的文章。他是卓越的科学家，要做更高层面、更具创造性的事，并不按传统的说法“一定要怎么做”。

还有一次，我们在尼古拉的实验室做生物学实验，尝试抽放一个蛋白质的蛋白，做了整整两天还没能拿到，我不知道哪里出了问题，很失望。

“结果如何？”尼古拉问我。

“抱歉，还没得到任何结果。”我说，“但不用担心，我会尽全力找到问题出在哪里，再重新做。”

“一公，你为什么一定要找到实验没有成功的原因呢？”尼古拉问我。

我很惊讶，说：“尼古拉，如果不知道失败的原因，怎么能继续工作呢？”

尼古拉的回答非常干脆：“再仔细做一遍，就会成功。”

对生物学大型实验来说，两三天的实验有几十个步骤。一个一个步骤做下来，以此弄清哪一步出问题的话，至少得花半个月。尼古拉说“再做一次”，有可能是实验中加错了酶或其他原因，再做一遍的成功性很大。结果果真如此。这让我明白——做科研并非找不出原因就无法进步，而要视情况。一个问题困扰你多年，不找出问题课题无法前进的话，确实需要继续努力；如果是一个技术错误，是不需要花费时间找原因的。这就是尼古拉给我第二个启发。

高中阶段以学习知识为主，那时并不特别注重举一反三的思维能力训练。迈入大学，就要开始自觉转变——从汲取知识到创造知识。读硕士、博士时，就可能创造知识。可以想象，本科阶段的一节课是前人几十年总结出的经验，而你只用50分钟就学完了。等读博时，也许五六年的科研工作也很难成为教科书里的只言片语。这就是其中的艰辛和艰难，成长和转变很不一样，需要在大学伊始尽快转变思维，这就是方法论的转变。

挑战学术权威

挑战学术权威对中国学生尤为关键。中国学生常认为老师讲的大部分是对的，或基本上是对的。即使错，也以为自己没有理解好。

有一次我在普林斯顿大学讲课，学生在课堂上提了一个问题，其实我不知道答案，但觉得能推测出一个。我讲了几句后，学生当场就反驳了我：“施老师，这好像不是真正的原因，我觉得你讲得不对。”我满脸通红，虽没在课堂上承认，但我知道的确讲错了。这件事对我的触动很大。但是我在清华课堂上重讲一遍同样的回答，很多同学皱眉思考，他们明明知道有问题，最终还是接受了，觉得施老师不会错。

其实，每个人都会犯错，世上没有绝对的客观观点，敢于质疑特别重要。

我从小就“爱出风头”。下面的故事，和我博士导师杰里米?伯格（Jeremy Berg）有关。

杰里米出生于1958年，我去他实验室读博时他才32岁，是美国比较年轻的终身教授。有一次开组会，杰里米走进来，看样子心情激动，他说：“今天的组会我来讲吧！”他平时是轻易不主讲的。他在黑板上画了一个立体的矩形，中间画了一个隔板，左边标注氧气，右边标注氮气，隔板一拉，里面的气体开始发生物化作用。杰里米由此推导公式，写满了整整一个黑板，最后得出了惊人的结论：热力学第二定律是错的！

这非常有可能，不要小瞧杰里米。有一次开车时，他突然想到了吸脂蛋白（当时美国很多人做这个蛋白的结构，但都没做出来），想到蛋白应该是正四面体的结构。这个结构预测得非常精美，是美国科研史上非常有名的事件，过了两三年大家才用实验验证了这个预测。他是一个天才。

杰里米在黑板上推算时，我发现公式里出现了三处错误，都是概念性的错误，很难察觉。那是1992年的下半年，我在实验室呆了近三年，还是不太敢跟杰里米讲话，因为他不苟言笑，非常严厉。那是我第一次和他正面交流：“杰里米，这其中好像有些错误。”我说。

杰里米瞪眼问我：“错误在哪儿？”

我壮了胆指出了几处错误，我讲时他满脸通红，一句话也不说，看看我，再回头看看黑板。实验室里的美国学生很有意思，七嘴八舌地说：“杰里米的推导一点儿没错，挺好！”“就你有能耐！”那时，我感觉“出错风头”了。

果然，杰里米很不高兴，他说：“今天的组会到此结束。”说完他就走了。实验室里的其他人也没理我，各自做实验，言外之意：你把这个局给搅了！我也很郁闷，吃完饭便默默地回去做实验。

下午两点，杰里米回来了。他一进来就说：“YG（他不叫我一公，叫我名字的缩写），你是哪个学校毕业的？”他居然还不知道我来自哪个大学！我在这个实验室都已呆了近三年。

“我毕业于清华大学。”

“清华大学在哪里？”

我很受刺激，说：“清华是中国最优秀的大学之一。”

“原来如此。”他点点头，又问：“是谁教你《物理化学》这门课？”

“朱文涛教授。”我回答。

“朱教授一定是非常杰出的科学家。”杰里米说，“你们清华真的很卓越（remarkable），一定有很多非常优秀的物理化学家在教你们，这样的概念一般人不懂。”

从此他对我刮目相看，因为他平时实在是太高高在上了，我甚至有些怕他。

这件事让我的心情豁然开朗，下午三点半，系里一位很有权威的教授在走廊里喊我：“YG！YG！祝贺你！”我摸不着头脑，老师告诉我：“听杰里米说，你解决了一个重大的问题！”

这个故事引发很多思考，首先想到的就是“挑战学术权威”。其实，我很怕这位导师，但他讲错后我还是指了出来。请不要忘记，他的初衷亦是挑战一个更加不可思议的学术权威——公认的热力学第二定律。

科研四阶段

对我来说，做研究有四个阶段。

第一个阶段是博士毕业之际。之前，我还不知道“研究”为何物，因为生命科学的道路漫长，我以数理见长，对生命科学领域的入门比较慢，很难找到自己的方向。博士毕业前一两年，我突然觉得找到方向了，开始有好的表现。首先，我听讲座时能听得明明白白，即使不是自己的研究方向，也能理解得很好。其次，我意识到做研究不过如此，知道该怎么做，开始有自信了。

第二个阶段是博士后期间。我感觉眼界突然放宽了，从一个领域跳到了另一个截然不同的领域，从一个实验室风格换成另外一个实验室风格，这种感觉让我敞开心扉——原来课题是这么选择的！尤其当我再进入一个新实验室，能看到别人是如何选择课题的，并逐渐意识到科学家的课题要通过批判性思维进行。我开始思考该怎样选择重要的课题，怎样选择研究，怎样才能做得不错。

不过，我把第三个阶段称作“变形”（metamorphosis），这个词很有意思。2002年12月之前，也就是我在普林斯顿大学拿到终身教授的前后，那时我的自信心膨胀，曾有一段时间很得意，觉得自己的科研很出色。是的，那时我就是这种感觉。我为什么要这么说？是为了与第四个阶段对比。

2007年，我在清华建立了实验室，2009年以后，我开始思考做更大的规划——应该在哪些地方布局？怎样把研究做到极致？

那时，有几个有利因素起了作用。我第一次感觉到做研究的“极大快感”：把中学时学到的物理化学知识应用到研究上，首次用跨学科的思维方式和以前的知识来理解我所研究的细胞。同时，我开始意识到以前学习基础知识的态度是错误的。为什么？读本科时，常说的一个词是“学以致用”。但“学”并不是为了“用”，学基础知识的目的并不是将来就要在工作中用，这是一个极端错误的观点。我认为“学”是为了打开思维方式，为了变得更聪明，学会方法论从而进行研究（the method of investigation）。

我读大学时曾经很苦恼，总觉得学这门课没用，学那门课以后的工作也用不上——这是我的第一个误区。工作后做独立实验，我确实有这种感觉，甚至还告诉学生：95%甚至99%的基础课程内容用不上（当时我已是普林斯顿的终身教授了）——这是我的第二个误区。毕竟当时的我还只在那个层次上，只能看到这样的观点。我现在告诉大家，想真正做拔尖创新、立志将研究做到世界前沿，所有的知识和内容都用得上。2013年夏天，我还在看中学物理，我认为细胞生物学和其中的很多知识都有着强烈的联系。

2009年，我得到一个科研发现，让我突然觉得中学的物理、数学，以及大学的微积分知识其实与细胞、生化实验和结构实验有很大关联。所以，2009年之后我在清华的工作让我进入了第四个阶段：脱胎换骨。

我不知道将来还会不会有第五个阶段，我很期待。

科学家的“脾气”

科学家是需要脾气的。你可以“外圆”，但一定要“内方”。

我的一名博士后非常有“脾气”，他的“脾气”听起来更像是缺点——固执（stubborn）。他固执到不愿学新东西。听起来不可思议，却值得肯定。他来实验室的第一天，做了有关APEC One蛋白的研究，实验过程需要添加还原剂，我让他用二巯基苏糖醇（DTT）试一试。我讲了很多次，他总是点点头。但是，第二天实验并不成功，我询问细节，他的回答躲躲闪闪。

一年半后，他特别开心地跟我说：“一公，这个实验我终于完成了，APEC ONE蛋白的表达很好，refold也很好。”

“你怎么做成的？”

“一公，我真的该在一年半前听你的建议用DTT，但是如今我才使用，得以成功。”他红着脸说。

实在不可思议，他居然足足固执了一年半，历经无数次试验。“可是一公，我就这个毛病，太固执，从小就这样。”他笑着说。不要小看他的脾气，我曾问他为什么来我这儿做博士后，他的一番话令我很受感动。有一次，我给他打电话，说：“以你发表的文章，完全可以到美国的公司工作，而且会有一份很不错的工作，为什么一定要做博士后，一定要到我这儿来呢？”

他讲了他的成长背景。他出生在农村，中专毕业后在陕西农村做了三年高中教师，才考上了北大的博士生。他还说：“一公，我从小就有一个梦想：做洋人的老师。”这句话朴实，我听了很感动，“你来我这儿可以帮你实现梦想吗？”我问。

“可以。”他说，“到你这儿做研究，发表两篇好文章，也许就能成为洋人的老师了。”

我曾一度放弃了他，觉得他做不了，因为他不够聪明，也不够机灵，太固执。他做博士后，家里一贫如洗，我去过他的家，三个孩子，爱人没工作，住房也不好，但他什么也不多想，只牢记梦想。我相信他能成功，因为他时刻都在追求。七年前，他获得了美国生物领域排名前25的一所大学的助理教授资格，2012年底，他拿到这所学校的终身教授。

如今有这样“脾气”的人并不多，我们很难坚持自己的一些东西，难成大器，没有自主和自我意识。所以，任何时候都能保持自己的“脾气”，坚持自己的理想。

研究体系的重要性

这是一个新概念。

我认为科研有三大要素。第一个要素是技术，指的是细节，比如学会灌胶、做曲线，不懂基本技术没办法做研究。技术，只是研究的一个工具，对初学者极为重要，前期大家所学的知识多数是技术。遗憾的是，有的博士生毕业时掌握的还只是技术。这样的话，仅仅是技术员（technician），而不是哲学博士（doctor of philosophy）。对数学、物理、化学和生物来说，应该强调研究方法，不能用知识的多少和技术的高低衡量。等研究的领域越深越多时，会发现技术所占的比例越小。我们应根据研究课题决定用什么技术，而不是从懂得什么技术出发找问题。

第二个要素是提问。尽管我们强调多提问，却极少教学生该怎样提问，什么样的问题才算是好问题。高中时的提问没太大区别，多数是举一反三。真正的好问题非常关键，甚至可以创建一个全新的领域，可以让科研人员进入学术的黄金期，它不只是技术或实验研究方法上的问题，涉及的范围非常宽广。2001年诺贝尔生理学或医学奖获得者蒂姆?亨特（Dr.Tim Hunt）曾说：“在研究过程中，也许最重要的是选择一个什么样的问题。最能区分科学家们能力的不在于他们所掌握的技术技能，而在于他们真正所感兴趣的问题。”

第三个要素就是教育经常忽视的，也就是研究体系。什么是体系？体系是研究所有科学问题的载体，研究时没有体系或体系出错，是做不出东西的。那么，技术、提问和体系三者是什么关系？技术，是装饰，比如汽车的门、座位或车身上喷的漆，本科生对于这些很感兴趣。为什么？因为这些是本科生首先能看到的。提问就像“引擎”，没有“引擎”的“火车”跑不起来。体系是载体，提出的问题和体系不一致时，做不出东西。即使问题很重要、正确，但问题的“引擎”是给“汽车”使用的，硬要装在“飞机”上，还是无法飞起来。

正确的研究体系可以发现关键问题，这就如同看到“飞机”才知道它的“引擎”该做多大，该怎样设计，怎样最适合“飞机”。所以，并不全是通过问题才能建立体系。

1964年，诺奖获得者蒂姆?亨特开始读博，这时的他发现了什么问题吗？没有。但他已有一个强大的科研体系——兔子的红细胞。蒂姆?亨特在红细胞没完全成熟时将它们收集起来，把它们打开，把膜、油脂离心掉上清，发现了大量的核糖体合成蛋白，有很多养分，他用这个体系发现了巨大的“商机”。他觉得这其中肯定有很多重大发现，也许可以获诺贝尔奖，于是他用这个体系做蛋白的合成。

1964～1977年，蒂姆?亨特一无所成。他的体系很强大，凭此可以拿诺奖，可他还在找问题，在找“引擎”。此外，他开始关注其他体系——海胆卵。海胆卵是新的研究体系，对科学发现很重要。1982年7月的一天下午，蒂姆?亨特做了一个实验，就是这个实验让他既发现了问题也找到了答案，而且还获得了诺贝尔奖。一般来说，诺奖的获得不来自于问题，而是研究体系的建立。体系的建立来源于综合的经验，建立一种直觉，目前还没有明确、可以学习的方法让大学建立科学体系，能做的就是不断理解、思考科学史，看看前人是怎么做到的，我们自然会有灵感。

（根据施一公院士在清华大学“基础学科拔尖学生培养试验计划”学生学术交流会上的报告整理，有删减。）

责任编辑：尹颖尧