诺贝尔奖和“无用的知识”

发布: | 发布时间:2019-10-10,星期四 | 阅读:378

FT中文网专栏作家 刘裘蒂

即使贸易战以“切腊肠”的方式边打边谈,未来中美之间的抗衡主战场也势必是金融和科技。这样的大背景下,在2019年诺贝尔奖得主陆续出炉的这一个多星期,我们除了再度焦虑和揣测中国人何时能够拿到更多的诺贝尔科学奖项之外,不妨多思考诺贝尔奖的本质是什么。

根据《大英百科全书》的词条,诺贝尔奖被认为是世界“知识成就”方面最负盛名的奖项。

众所周知,瑞典化学家阿尔弗雷德•诺贝尔立遗嘱,将大部分财产用于奖励表彰在物理、化学、生理学或医学、文学与和平等五个领域中“为人类带来最大贡献的人”。另外,瑞典银行于1968年设立了一项纪念诺贝尔的经济科学奖项,这个皇家银行经济科学奖,成了所谓的诺贝尔经济学奖。

由诺奖得主来华的“淘金潮”可以管窥中国人对于诺贝尔奖的狂热,中国人的“诺贝尔情结”随着“科技赶超”的声浪而有增无减。但是到了今年宣布的医学奖和物理学奖为止,美国仍然以380人居冠,其次是英国的132人,再次是德国108人,日本以27人排名第八。历来华人得奖有11人,其中科学领域有9人,中国籍的有4人,可见基因应该不成问题。

从今年国内媒体对诺贝尔医学奖的报道角度来看,“凤凰科技”的标题是:“诺贝尔生理学或医学奖揭晓 肾癌治疗或最先受益”。《第一财经》的标题是:“2019年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,概念股开盘走强”。中国新闻网的标题是:“诺贝尔物理学奖今揭晓:史上留名凭实力 获奖还要些运气?”

美国有线电视新闻网CNN的标题是“诺贝尔医学奖奖励人类对于氧气反应的新发现”。《纽约时报》的标题是“诺贝尔医学奖奖励研究细胞如何处理氧气”。《华尔街日报》的标题是“美国和英国科学家获得诺贝尔医学奖”。

两相对比之下,美国媒体平铺直叙,并且在文章中强调得主的研究哲学,而中国媒体的专注点似乎更为“功利”:实际的用途,对于股市(财富)的影响,以及如何得奖。

2019年的诺贝尔医学奖和物理学奖

今年共享医学奖的三位科学家,分别是来自哈佛医学院达纳-法伯癌症研究所的威廉•凯林、牛津大学和弗朗西斯•克里克研究所的彼得•拉特克利夫、以及美国约翰霍普金斯大学医学院的格雷格•塞门扎。他们在过去20多年间,各自独立地研究细胞如何感知和适应不断变化的氧气供应。

作为生命有机体的命脉,氧气是细胞生存的必要条件,但氧气过多或过少也会致命。因此三位科学家试图回答这个问题:细胞如何调节自身对于氧气多寡的反应?

诺贝尔奖委员会说,2019年获奖者发现了调节因应氧气水平变化的基因活动的分子机制,从而“扩展了我们对生理反应如何使生命成为可能的知识”,并且使我们“弄清这一切如何运作”,呈现了“完整清晰的故事”。

这些发现对治疗供氧不足的各种疾病(包括贫血、心脏病和中风)具有重要意义,也促使血管生成阻滞剂,通过阻断肿瘤细胞触发其获取氧气和营养所需的新血管生长的能力来治疗癌症。诺贝尔学会认为这项研究具有“教科书发现”式的里程碑,未来将是生物学基础教育的学习课程。

但即使有许多应用的场景,根据CNN的报道,得奖人凯林表示:“我想指出的是,我们的故事是试图产生知识,并理解事物如何运作。如果你足够深入,并且对事物的理解足够好,那么偶尔会有转化(实用)的机会出现。”

塞门扎在接到诺贝尔奖委员会的电话通知时,正在填写一项研究补助的申请书。在他看来,“几乎所有科学发现的影响都会在以后显现出来。当我们开始研究工作时,我们并没有预见到这个机制的广泛影响。”

在与诺贝尔奖委员会的电话访谈中,拉特克利夫回想起当他开始研究肾脏和其他器官如何根据氧气的分量而调节红细胞生成素的制造,他的同事认为这个研究无关紧要。但由于他对科学解谜的动力,他始终坚持着。

“但我相信这可以解决,可以由某人来解决。它的影响后来(才)可见……这项研究说明了基础研究的价值……我们开始了旅程之际,并没有清楚地了解这些知识的价值 。”

今年的诺贝尔物理学奖表扬了三位得主各自在天体物理学上的贡献,其中普林斯顿大学的阿尔伯特•爱因斯坦科学名誉教授詹姆斯•皮伯斯(见图),被瑞典皇家科学院称为“丰富了整个研究领域,并为过去50年中从推测转变到科学的宇宙学奠定了基础。”

皮伯斯在自己的网页上自述:“我继续从事宇宙物理学方面的工作,偏爱不受重视的问题。尽管从我半个世纪前遇到的小型科学,到当今的大型科学,已经有了长足的发展,但不受重视的问题并不少见。”

也就是说,这些获诺奖科学家的出发点并不是在实际的应用上,而是对于知识本身的好奇。很多时候,越是基础、越是不受重视的问题,反而产生越大的影响力。

我们仍然需要无用的知识

这使我想起10月5日在纽约哥伦比亚大学国际书院举行的第27届中国旅美科技协会年会上,2008年诺贝尔化学奖得主马丁•查尔菲以“我们仍然需要无用的知识”为题做了主旨演讲。查尔菲认为自己得到诺奖的研究成果,归功于多名前辈“意外”的发现。

“无用的知识”的典故来自以将爱因斯坦带到美国而著名的普林斯顿高级研究学院创始主任亚伯拉罕•弗莱克斯纳,他在经典文章“无用知识的有用性”(1939)中,提出了一个科学研究的悖论:仅仅出于好奇心而不关心实际应用,寻求对深层问题的答案,通常不仅会带来最大的科学发现,而且会带来最革命性的技术突破。

当时弗莱克斯纳写道:“从实际应用的角度来看,知识生活从表面上看是一种无用的活动形式……这些无用的追求,始料未及地引来了未曾预想到的应用。”

弗莱克斯纳在1930年代与实业家乔治•伊斯特曼(柯达胶卷和相机发明者)进行了一次小型辩论,讨论谁对科学做出了最大的贡献。伊斯特曼认为是发明广播并改变世界的古列尔莫•马可尼。

然而弗莱克斯纳认为,因为有詹姆斯•克莱克•麦克斯韦和海因里希•赫兹等前辈科学家的发现,马可尼的发明乃是势不可挡。尽管麦克斯韦和赫兹并没有追求其工作的任何实际应用,但正是无穷的好奇心才使他们提出了引发革命的原则。

查尔菲的“无用科学之旅”

查尔菲自己的“无用科学之旅”从高中时期的实验即已开始,而突破点在于1988年参加的一个关于生物发光的研讨会,会上有科学家介绍了水母的发光机制和绿色荧光蛋白(GFP)在其中的作用。

而发现绿色荧光蛋白如何造成水母发光机制的故事,要从日本有机化学家和海洋生物学家下村修开始:他当时在美国普林斯顿大学深造,开展对水母发光机制的研究。由于当时普遍认为生物荧光的物质基础都类似于荧光素,并非蛋白质,所以下村修和他导师开始的研究思路并未集中在蛋白质上。

经历了一系列失败之后,下村修决定摆脱荧光素的思维,从蛋白质的角度来重新开展实验路线,这导致他与导师的研究思路产生了严重分歧,然而下村修决定继续坚持他的探索。

有一次,下村修将装有废弃样本的管子扔到了盥洗池,他惊奇地看到倒灌的海水使管子里的样本发出了荧光。这个意外发生的现象使他发现荧光蛋白对于钙离子的敏感反应,在分离并纯化水母发光蛋白之后,下村修发现纯化的水母发光蛋白发出蓝色光,但水母在自然条件下发出的却是绿色荧光。

下村修和同事推测在水母中存在另外一种绿色荧光蛋白,这种绿色荧光蛋白将水母发光蛋白发出的蓝光进行了过滤,从而使水母发出绿色光。下村脩通过接下来的实验分离了后来为生命科学带来革命性突破的绿色荧光蛋白(GFP)。

在当今生命科学和医学研究中,GFP被广泛使用为示踪物。在下村修的研究基础上,另一名研究者道格拉斯•普瑞泽在博士研究生阶段克隆了编码水母发光蛋白的基因。但两年后他没有申请到其他研究经费,无法就GFP能否通过基因工程在其他生物细胞内表达开展进一步研究,因而关闭自己的实验室另谋生路,成了一名时薪不到10美元的巴士司机。

幸好普瑞泽和众多科研实验室分享了他克隆出的基因,包括之后同年获得诺贝尔化学奖的查尔菲与钱永健(当年下村修也获奖)。普瑞泽的贡献虽然没有得到诺贝尔奖委员会的认可,但是在谈到普瑞泽时,查尔菲曾经说:“他们可以忽略掉我,把这个奖颁给普瑞泽。”

当注入细菌之中并用紫外线照射时,GFP可以作为动植物内部的一种手电筒,使人们可以实时观察细胞、生物组织和过程。下村修最初从水母中分离出绿色荧光蛋白后,科学界很少有人相信它可以在其他生物体中表达,但查尔菲证明了GFP可以在两种活生物体中表达,他的论文“绿色荧光蛋白作为基因表达的标志”成为分子生物学与遗传学领域被引用次数最多的20篇论文之一。

现在GFP被认为是通用的遗传标记。那么,无心发现的GFP有什么“实际”应用呢?

不同色彩的蛋白质允许对体内生长的癌细胞进行颜色编码,并能够通过单细胞分辨率将宿主与肿瘤区分开。使用荧光蛋白进行的非侵入性成像可以跟踪转移性癌症的动态,并实时跟踪各个动物。表达荧光蛋白的癌细胞的非侵入性成像能够实时确定对实验小鼠施加不同抗肿瘤药和抗肿瘤药的功效。使用荧光蛋白在细胞核和细胞质中差异标记癌细胞,可以观察体内癌细胞的核质动态、有丝分裂、细胞凋亡、细胞周期位置以及细胞核和细胞质的差异行为,例如在癌症发生期间细胞的变形和外渗。

给小老鼠按摩

查尔菲因此在2012年得到了美国科学界的“无用科研”金鹅奖。金鹅奖由美国众议员吉姆•库珀与包括美国科学促进协会在内的一群科学组织在2012年设立,旨在表彰乍看起来似乎很无聊的联邦政府资助研究项目、但后来对社会产生了重要贡献的发现。

2014年的得主是已故的杜克大学神经科学家索尔•尚伯格,他利用幼鼠研究了影响生长激素和鸟氨酸脱羧酶水平(两种生长指标)的因素。尚伯格的发现源自他和团队将幼鼠与母鼠分开的实验。

在团队观察中,尽管吃得饱饱,体温也很健康,但被遗弃的幼鼠的生长指标水平暴跌。后来研究人员注意到:母鼠在生完孩子后会不断舔它们的幼崽,于是研究人员尝试使用小刷子模仿母亲舌头舔幼鼠的动作。尚伯格后来开玩笑说:“我无法让实验室技术人员真正用舌头去舔鼠崽。”。

在重复这样的“按摩”动作后,研究人员观察到,幼鼠体内酶的水平上升了,生长激素也上升了,小动物再度生机勃勃。

研究的结果发现这种模仿的触觉刺激会影响重要的生长激素和酶的水平,这一结果激发迈阿密大学医学院的心理学家蒂凡尼•马蒂尼•菲尔德研究按摩对早产儿的影响,确定了同样原理对于人类的适用性。这个看似奇怪的发现,使得数百万早产儿得以幸存下来。

在金鹅奖委员会看来,当一位年轻科学家拿一把用来清洁相机镜头的小刷子,轻巧地在一只鼠崽的背部按摩,他不是为了解闷,或是浪费纳税人的钱。这些美国联邦政府资助的实验结果带来了照顾婴儿方式的重大改变,不但挽救了生命,还节省了数十亿美元的医疗费用。

因此真正的创新需要基础性的探索,即使这些探索在今天看来完全不切实际。瞄准现在并不能够创造未来,我们必须想象新的可能性。

“至用无用”

在旅美科协的年会中,耶鲁大学干细胞研究中心主任、美国两院院士林海帆教授讲述了干细胞领域的最新发展,我问他,中美在干细胞研究方面最大不同之处为何?他认为美国和日本目前领先干细胞研究,中国正积极赶上,但由于中国人急切地寻找商业的应用,有时会转移真正可贵的研究目标。

同场年会中,IBM研究中心的认知计算系统研究部门主任熊瑾珺博士试图重写“摩尔定律”。他认为随着半导体技术接近基本极限,摩尔定律已逐渐消失,解决对高容量、低延迟和高能效计算的需求,越来越多寄望于多元系统借着人工智能(尤其是机器学习和深度学习)最近的蓬勃发展,这进一步满足了对包括云计算、移动计算和物联网在内的计算系统的需求。

英特尔创始人之一戈登•摩尔在1965年提出(1975年修正)“摩尔定律”:只要英特尔和同行信守拓展技术的承诺,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。

针对“摩尔定律”的天花板,熊瑾珺根据自己的推演而提出一个新的定律:“只要我们不断提高开发异构计算的生产效率,大约每2-3年应用程序的数量就会增加一倍。”

在私下交流中,我问熊瑾珺,中国由于数据的优势,是否将在人工智能和他所谓的异构计算中超过美国。熊对我表示,中国未来的科研方向应该是提高研究的效率,而不是大量生产论文。

我很好奇的是,为什么查尔菲在旅美协会对中国留学生和科研者的演讲,选择用“至用无用”的主题来带出科学发现的核心?难道是因为聪明的中国人总是急着去当最后的收成者,而不是拓荒的先锋?

从查尔菲以“至用无用”的主题来带出科学发现的核心,到今年物理奖得主皮伯斯以“不受重视”的科学谜题入手,诺贝尔奖的秘密似乎不在于急着去当最后的收成者,而是拓荒的先锋者。

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