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蒲慕明:大科学和小科学

(2009-03-09 12:29:34)
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蒲慕明

小科学

大科学

杂谈

分类: 科学世界

   蒲慕明:中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所所长、美国加州大学柏克莱分校教授。

  30多年前我刚开始做研究生,在一个高能实验物理实验室第一次接触了科学研究。当时我的工作是协助装置一个由精确排列金丝导线组成的粒子探测器。仪器完成后运到另一所大学进行测试,最后被安装在日内瓦的一个大型仪器上。在这个科学计划几百个参与者中,我是资历最浅的学生。没有人告诉我这个计划的细节,我对整体概况也只有一个模糊的认识。不久我离开了那个实验室,主要原因是我对所研究的科学问题的疏离感,也感到自己只是“大机器里的一个小螺丝钉”。后来我在一个生物物理实验室完成了第一项研究工作,在那里,我的导师和我可以提出问题、共同设计实验、并在几天之内得到答案。回顾过去,多年来我对科学的热忱和动力,是源于一种能在自己实验室中发现问题、证实或推翻自己的假说时所获得的欣喜。不可否认,科学领域的同行对我自己实验室的一些发现所给予的肯定与赞赏,一定也对我科学生涯所获得的快乐有相当的贡献。像大多数同辈的科学家一样,我是在一个小实验室成长,并以所谓“小科学”的方式为科学做出我的贡献。

  西方和东方都正在刮“大科学”之风,大量的研究经费都投入到基因组学、蛋白质组学、或“某某组学”等计划上。在中国,“大科学”正好符合了国家一向的习惯以“由上而下”的方式来进行科研规划和运行。一些决策者们也认为“大科学”代表着未来科学发展的趋势。许多科学家都忙着纂写“大项目”的申请书,要求政府给予高达几亿到几十亿的经费。

  一个发展中国家是否应该强调“大科学”?这个问题在中国目前尤其重要,因为国家中长期科研规划正在出炉中。在这里,我想从生命科学的角度来探讨“大科学”与“小科学”的利弊,这些论点也可能适用于其他自然科学。

  ★科学的“大与小”

  在这里“大科学”我定义为由少数政治或科学领导人物,“由上而下”组织起来的、需要大量科研经费、包含众多实验室和科研人员的计划。在中国,由 科技部和其他政府部门组织的一些项目,如“863 ”、“973 ”项目,以及目前国家中长期科研规划所衍生的巨型项目,在此都归属于“大科学”。

  “小科学”我定义为由个别科学家发起,只有一个或几个实验室参加,并经过有竞争的同行评审的项目。国家自然科学基金委员会(NNSFC )资助的项目 就是“小科学”的例子。在中国,“大科学”的运作类似于“计划经济”,而“小科学”更像“市场经济”。

  “大科学”的出现最先是在高能实验物理和天文学研究。这是因为有些项目需要大量的资源和众多的科研人员共同参与、以及在良好的协调管理之下才能完成。1971 年美国尼克松政府提出“抗癌战争”的大计划,宣称要在1976 年战胜癌症。三十年后的今天,癌症仍是严重威胁人类生命的顽疾。我们现在了解癌症是一个复杂的生物学问题,不论投入多少经费,也不可能在设定的期限内很快解决。三十年来癌症领域的研究是有了相当可观的进展,然而这些进展主要应归功于一些个别科研工作者所推动的“小科学”研究。

  人类基因组计划是另外一个例子,但是极为成功。不像“抗癌战争”,基因组计划是以技术为主,有一个肯定可以达到的目标。对整个人类基因组的测序即使用低技术测序方法亦可以完成,尽管不是那么高效。基因组计划对科学的主要贡献是提供了大量的有助于许多实验室进行科研的新信息,而不是直接解决了科学问题。这些大量的新信息,改变了许多生物学和生物医学的研究方式,也为新的生物技术、生物信息学和系统生物学等新学科奠定了基础。

  一个成功的大科学计划有这样几个特征:首先,它有一个非常明确、而且肯定可以完成的目标。第二,它是由科学家自发组织,并得到该领域科学家的普遍支持。第三,启动这个项目的时机已成熟,在该领域已具足够的条件来开展此项目。一个值得政府支持的大科学项目,不但要符合政府政策的需求,还应通过科学家们严谨的组织与评估(见饶毅等的文章)。

  ★为什么要做“小科学”?

  人类基因组计划的成功使许多科学家和政策制订者产生了这样一个印象,就是未来生命科学的进展将主要依靠对生物问题的大规模攻关。有些人甚至认为“小科学”的时代已一去不返,由假设所推动的研究已结束——只要用高流量的技术得到所有的信息,各种信息都会对号入座,所有难题便会迎刃而解。有人说我们现在所需要的是更多、更好的新型仪器来采集完整的“某某组学”的信息、训练更多的技术人员来操作这些仪器、更多的“生物信息学家”来分析这些信息。由此我们将完全可以了解所有生物学问题、认识疾病的起源,找到根治疾病的方法。

  然而历史告诉我们,生命科学领域的主要突破,绝大多数是由个别科学家推动的“小科学”研究所创造的。在生物学领域,像DNA 双螺旋结构、遗传密码、致癌基因、发育的基因调控、细胞凋亡、学习和记忆的机制等这些重大的科学发现,几乎完全源于“小科学”研究。在生物技术领域,重组DNA 、单克隆抗体、分子克隆、聚合酶链反应以及干细胞技术等主要技术的发展也无一例外的是由小科学研究完成的。

  科学的发展是不易预测的,它需要有许多实验室用不同的途径来探索。尽管一些有远见的科学家可以有能力指出科学发展的总体趋势,但是想预测在那个研究领域会在何时出现重大突破是十分困难的。小实验室的运作也可使科学工作者之间的交流更有效,更有利于激发创造性的思路、开展创新性的实验,解决理论上和技术上的难题。而且,当一大群科学家参与一个大项目时,那些平时驱使他们科研工作的动力,如对某一个别科学问题的个人兴趣、同行间的竞争、科学界对个人成果的赞赏,都将消失殆尽。

  更重要的是,小实验室可以提供培养年轻科学家所需要的导师与学生之间的紧密关系。在小实验室里导师有机会直接与学生交流,并能深入掌握实验的设计、分析数据、解释实验结果。学生也能通过和导师的交流学到彼得·梅达沃(Peter Medawar )所说的 “探索可解决的问题的艺术”(the art of soluble )。这种导师学生间的交流,能使学生不仅学到探索和解决问题的实验技能,而且通过潜移默化建立他们对科学的热忱、对自然的好奇心、做研究的风格和品味,以及对科学和非科学事务做判断时的正直人格。就是这种师徒关系造就了几代二十世纪的著名科学家。

  简而言之,“小科学”实验室是重大科研进展出现的主要场所,是培养下一代科学家的最好的环境。更多的资源应该给予高质量的小实验室来培养新一代科学家,使他们不仅热衷于科学探索,并能在当今信息时代里从海量的噪声中抽提有用的信息,能提出恰当的科学问题,设计有效的实验。

  ★“大科学”的危险性

  最近在中国出现了对“大科学”的热潮,这引起了许多中国科学家的关注。在日益加剧的国际科学竞争中,也许是民族自尊心驱使了政府及科学管理者仓促上马大科学研究项目。大项目本身是有风险的,必须有细致的规划、并能正确的评估在特定领域内是否有足够的训练有素的研究人员来进行这些大项目。在资源有限的情况下,大计划所吸取的大量资源将造成小型研究计划资源的萎缩,对整个科学界造成严重的负面影响。对这些大科学项目的组构、评估,以及在项目进行中如何监督都是有很多问题的(见饶毅等的相关文章)。

  大科学计划常常强调生物技术大型平台研发的重要性。如基因组测序、蛋白质组分析、化学药物筛选和生物信息分析等平台。但是开发尖端技术需要在中国有强大的基础生物学实验室、否则只能靠投入巨额经费、从国外引进现成的平台。可是,应该在有许多实验室能够有效地使用这些技术平台时才大量引进这些设备,否则就造成资源浪费。

  也许有人会争辩说,将一群小实验室组织起来,去做有共同目标的一个大项目,比如说治疗肝炎或者阿尔茨海默氏病,是一个合理的策略。在中国有限的资源和高质量的研究人员缺乏的情况下,科学研究有时候确实需要组织起来,以尽力满足社会的需要。但是,除非大项目的参与者对分派的研究任务具有真正的兴趣,那些只是靠经费所驱使的项目通常是无法有效运行的。

  事实上,过去参与“863 ”或“973 ”这类大项目通常被中国科学家们视作可不通过严格的同行评审就可得到大量研究经费的机会。许多此类的大项目并没有能够对参与者的研究方向或他们的实验室的产出率有显著影响。除了少数领先的实验室做出一些成果,很大一部资源是投进了一些低产出、通过研究机构或个人关系入选的实验室。

  目前在拟议中的上亿元的大科学项目,为了要证明巨额投资的必要性,这些项目在预算中必然包括了巨额的仪器购置费。这让我回想起八十年代世界银行对中国一流大学的贷款项目所发生的巨大浪费。那时候进口了许多先进的仪器,但大部分在许多校园里使用率极低,更有甚者从未被使用过。

  许多来访的外国科学家都对中国研究机构目前拥有的最新仪器印象深刻,但很少对这些仪器的有效使用表示赞赏。随着几个大项目计划的即将实施,我们希望不要见到许多研究机构配备了大量最新仪器,但让这些仪器扑满了灰尘,十余年后都报废了。令人痛心的是,一些中国科学家认为,既然现在政府愿意投资,大量的研究经费是不拿白不拿;而没有考虑到在他们实验室里闲着不用的一台仪器的投资额,是足够维持贫困地区的整个乡村好几年的生活。

  最后,一个简单的经济账可以说明问题。国家自然科学基金委员会现在的年预算额约为20 亿人民币,其中五分之一投入生命科学领域,而一项在拟议中的中长期科研规划的巨型项目,就可能获得100 亿人民币。即使这一项资助延盖15 年,每年的投资额也将大于国家自然科学基金委员会对整个生命科学领域的投资。从整个国家现时对于自然科学研究的总投资额来看,在此刻将大部分资金投入少数大项目是不合理的。

  ★基础科学,应用科学和技术

  在科学政策制定与管理者中有一种普遍的态度,即把科学和技术(科技)看作一回事。科学计划和工程计划没有任何区别,都用同一种方式来策划和管理。以生物医学为例,针对疾病的项目被认为只要动员科学家、用完善的策略去直接解决与疾病有关的问题就可以达到目标。然而,理解正常生物现象和病态的规律(科学)和开发治疗疾病的手段(技术)是有明显区别的。

  在生物现象和病理了解上的突破是开发治疗疾病的基础,只有在许多有能力的研究者对他们有兴趣的基础生物学问题获得肯定的解答才能完成。重要的突破只有靠科学家全心全意地投入他们的研究,而不是靠资助的诱惑、三心二意地参加一个已组织好的大项目。

  虽然对已有的技术应用项目可能会很成功地由“由上而下”的计划来完成,开发新技术跟基础科学一样是不可预测的。像所有的科学发现一样,重大的技术突破,常常靠的是技术人员全心全意地投入他们有兴趣的工作,以一种不可预测的方法解决他们的问题。

  虽然近年来中国在生命科学领域的研究质量已有显著提升,现在仍急缺训练有素的研究人员。在缺乏足够多的高质量研究人员的情况下,组织大型项目必然会导致资源的浪费。所以对基础科学而言,更合适的策略是将资金分散到许多小项目,同时强调科研的质量与原创性。只有通过高质量的科研我们才能期望在基础科学与技术应用方面有真正有意义的进展。 英国科学家马克斯·佩鲁茨(Max Perutz )曾说过“科学上的创新是不能够组织的,从上而下的指引将抹杀创新”。科学发展必须靠政府的支持,但是科研进展的方向和内容是很难计划的,这个事实佩鲁茨本人就是最好的见证。在他建立和领导的剑桥分子生物学实验室里,培养了十二位诺贝尔奖得主,为现代分子生物学和目前的生物科技工业打下了基础。

  ★加强基础科学研究

  令人吃惊并感到迷惑的是,在国家中长期科技规划所设定的20 个专题中,只有一个是关于基础科学的。这直接反映了政府对基础科学缺乏应有的重视。据说有些政府高层顾问认为,既然中国在基础科学上已经落后西方很多,提高基础科学水平又是那么困难,从经济的角度来考虑应该将资源集中于应用科学和发展社会需求有关的技术,基础科学应置于次要的地位。再说,基础科学的研究成果应是全世界可以共享的。

  这种看法是短视和误导的。中国未来技术发展的主要瓶颈正是基础科学的薄弱,尤其是在生物医学和生物技术领域。在一个越来越讲求原创性和知识产权的时代,与发达国家共享基础科学研究成果将会是极为昂贵和低效的,除非我们满足于别人的残羹剩饭。进一步说,当中国正一步步进入“小康”社会时,科学不应该只被功利性地看作技术和社会福利的工具。基础科学是科学文化的源头。作为现代社会的基石,科学文化尊重智性的追求和对客观真理的理性探索。要科学文化生根结果,基础科学研究可提供最富饶的土壤,小型科学实验室可提供最适宜的环境。 (《自然·中国之声Ⅱ》 

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蒲慕明确实是一个低调的科学才子,默默地为中国科学界发展做了很多工作,渐渐的由衷敬佩起来,虽然仍对他对实验室人员的要求有点后怕,但是他确实是一个思考得很深很有威信也很亲切的一个人。回想起上次神经所的讲座上,我误将他看成行政工作人员,当我问完演讲者问题他主动找我说话的时候,我竟然那么无礼地反问他,感觉自己就是年轻气盛初生牛犊不怕虎的放肆,把他弄得很尴尬的样子,不过他看上去的确不像是我想象中的蒲慕明啊,后来回到实验室,师兄马上很好奇地问我蒲慕明回头跟我说了些什么的时候,我才恍然大悟,后悔莫及啊。现在想想他当时可爱的样子,还是觉得蛮好笑的。

中国科学发展现在真的还处于起步阶段,至少人们对于科研那种由衷的热爱是很少见的,实验室的PI们就是整天想着怎么发paper,怎么从政府那里骗点钱过来,实验室里面没有除了stress,似乎没有一点精神,一种让人由衷快乐的动力。环境对于一个人成长的影响,实在是太大了,而我,又实在是没有运气遇到一个可以成为典范影响我人生观价值观的导师,只有将我心中一切价值搅得混乱不堪让我不断迷失的人。只能希望自己的PhD,能够给我带来不同。

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