一个信念：科学研究需要团队

尹颖尧

北京时间10月7日，2020年诺贝尔化学奖授予了詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）和埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier），其获奖原因：开发了一种基因组编辑方法。

詹妮弗·杜德纳是美国加州大学伯克利分校的一名教授，也是美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，简称“伯克利实验室”）的一名生物化学科学家。这一天，她也成为伯克利实验室历史上第十四位获得诺贝尔奖的科学家。

伯克利实验室位于加州大学伯克利分校的山丘上，占地1226英亩，约75个标准足球场那么大，景色怡人，俯视壮丽的旧金山湾。伯克利实验室是美国能源部主管的17个国家实验室之一，由加州大学代管，围绕能源、生命系统、宇宙中的物质和能量等进行交叉学科的基础研究，成绩斐然。2012年，詹妮弗·杜德纳教授和法国女科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶在《科学》杂志上发表论文指出，细菌用以对抗病毒的CRISPR-Cas9系统可以作为简单、灵活的基因组编辑工具。通过它，科学家可以高效、精确地改变或替换植物、动物（包括人类）的基因。现在，简单、廉价和高效，CRISPR已成为全球最为流行的基因编辑技术，被称为编辑基因的“魔剪”。

“科研团队（team science）”

自1931年8月诞生以来，伯克利实验室始终坚守着一个信念：科学研究需要团队。

这一信念由实验室创始人、物理学家欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence）提出。他是“科研团队（team science）”概念公认的鼻祖。

1928年夏，27岁的劳伦斯离开耶鲁大学，加入加州大学伯克利分校。任教期间，他发明了一种独特的粒子加速器——回旋加速器，为科学界敲开了通往高能物理学的大门。劳伦斯于1939年获得了诺贝尔物理学奖，打响了伯克利实验室勇夺诺贝尔奖的第一枪。除了在物理系授课，劳伦斯还受聘于化学系，这让他接触到不同领域的科学家和学生。劳伦斯慢慢发现并坚信，科学研究最好由具有不同专业知识的人组成团队，共同完成。

1931 年夏建造完成的第一台回旋加速器的加速腔，直径为4.5 英寸（约11.43厘米），可以将氢离子加速至80000 电子伏特的能量。为了建造直径27 英寸（约68.58厘米）加速腔的加速器，劳伦斯需要更大的实验室。同年8 月他从伯克利大学获得了位于物理系附近一个闲置的建筑物。劳伦斯将其命名为“放射线实验室（Radiation Laboratory）”，并招募了一支由物理学、化学、生物学、工程学和医学科学家和学生组成的科研团队。后来，为了建造更大直径加速腔的加速器，劳伦斯将实验室搬离了校园，搬到校园上方的山丘，即现在俯视旧金山湾的地方。1959年8月27日，刚过完57岁生日的劳伦斯去世了。之后，实验室正式以他的名字命名。

发明回旋加速器、参与原子弹研发、发现化学元素周期表中第103号元素铹……劳伦斯短暂的一生为科研作出了巨大贡献，而“科研团队”这一概念也成了劳伦斯留给伯克利实验室最大的遗产，被一代代的科学家和学生传承。詹妮弗·杜德纳教授铭记这一概念，她与法国女科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶合作，成为第一支获得诺贝尔奖的女性研究团队。

35项大突破

“为世界提供科学方案（Bring Science Solutions to the world）”是伯克利实验室的口号。1931年以来，他们提供了诸多改变世界的伯克利实验室方案。从中，他们自评了35项大突破，现简要列举其中的10大突破。

确认大爆炸，发现暗能量。伯克利实验室安装在卫星上的探测器，揭示了银河系在大爆炸中诞生。实验室的超新星宇宙学计划发现了暗能量——构成宇宙四分之三并导致其加速扩展的神秘物质。

锁定恐龙杀手。1980年，由伯克利实验室科学家沃尔特·阿尔瓦雷斯（Walter Alvarez）领衔的科研团队发现：地球与一个小行星的碰撞，导致了恐龙的灭绝。

发现16个元素。如若没有伯克利实验室的贡献，元素周期表会变得小些。伯克利实验室在发现“锝”中功不可没，这一发现彻底变革了医学成像。实验室发现了“镅”，如今它被广泛运用于烟雾探测器。

好坏胆固醇。胆固醇既好又坏，实验室的这一发现直接推动了1960年代心脏病的治疗及突破。

重写乳腺癌病因。一项革命性理论发现：乳腺癌的病因与乳腺细胞微环境的崩溃有关。

制造最小的机器。世界上最小的合成电动机在伯克利实验室诞生，它比人的头发还要细。

最小生命体成像。伯克利实验室的科学家拍摄了超小型细菌的照片。科学界认为，这样的细菌是最小的生命体，15万个这样的细菌才能填满一根人类头发的尖尖。

最强显微镜。2008年伯克利实验室发明了电子显微镜TEAM，让我们有机会窥视原子的世界。这台显微镜产生的分辨率为半埃，比单个氢原子的直径还要小。

解释光合作用。有没有想过植物如何将阳光转化为能量？伯克利实验室的梅尔文·卡尔文（Melvin Calvin）发现了答案。今天，这一发现让科学家进一步思考：如何从阳光中获取可持续能源。

从微生物中挤出燃料。與美国能源部联合生物能源研究所共同开发出可直接从生物质能（biomass）中产生燃料的微生物。

10大科研方向

伯克利实验室拥有一支庞大的科研团队，每年实验室都硕果累累。

近年，他们展望未来，确定了伯克利实验室未来十大科研方向。

重构地震建模。伯克利实验室的研究人员正运用超强大的计算机，创建全球首个端到端（end to end）仿真框架，实时捕捉地震的地质、物理参数。

生物原子成像。低温电子显微镜正在变革结构生物学。目前，伯克利实验室科学家正以接近原子的分辨率，获得生物分子的成像。这将有助于药物开发和医学研究。

深入探索暗物质。伯克利实验室正引领美国最敏感的实验，该实验旨在发现理论上存在的暗物质粒子WIMP。 这个实验将在位于南达科他州地下4580英尺的斯坦福地下研究设施中开展。

制造更好的电池。伯克利实验室运用同步加速器释放出的X射线，开发了一项新技术，也能够对锂离子电池颗粒在充电和放电过程中的纳米级变化进行成像，以新视角认识电池的工作原理。

提高农作物产量。伯克利实验室的科学家正在模拟植物利用阳光的方法，以提高光合作用的效率，进而提高农作物的产量。他们与伊利诺伊大学的联合研究表明，这项技术已现曙光。

清洁能源材料。科学家正在创造新型清洁能源纳米材料，比如研发新催化剂，它可将二氧化碳转化为液体燃料、溶剂和可再生原料的成分。

宇宙3D图。伯克利实验室发明的暗能量光谱仪（DESI）将更深入了解暗能量。通过接收数百万个星系和其他天体的远古光，揭示它们远离地球的速度，并创建一个巨大的3D宇宙天体图。

越来越小的电子。集成电路将继续缩小尺寸，但终究受物理定律所限。科学家们毫无畏惧，他们使用能更好控制电子流动的材料，制造出的晶体管Gate端只有1纳米长，突破了物理学上的尺寸障碍。

自动图像识别。伯克利实验室的研究人员正开发自动机器学习工具，以便从生物学和物理学等领域的图像中分类、检索科学数据。该技术未来可能的应用，包括从数以千计的健康细胞中快速识别癌细胞。

地下水银行。能否将雨季的水储存，以备干旱之需？

责任编辑：陈思