諾獎得主MichaelLevitt:基礎科學對重大研究是否必要
2018年08月11日14:30
Michael Levitt,2013年諾貝爾化學獎獲得者、美國國家科學院院士、英國皇家學會會士
Michael Levitt,2013年諾貝爾化學獎獲得者、美國國家科學院院士、英國皇家學會會士

  新浪科技訊 8月11日消息, 8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20餘位諾貝爾獎獲得者,以及中科院院士曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。在論壇上,2013年諾貝爾化學獎獲得者Michael Levitt教授發表題為“基礎科學對於重大的發現是否必不可少?”的演講。

  1953年,沃森和克里克發現了DNA的雙螺旋結構,從而打開了人類研究基因信息的新時代。隨著科學的發展,結構生物學也獲得了長足的發展。Michael Levitt教授介紹了他從事科研的經曆,並稱他的工作都是基礎科學研究,那麼基礎科學是否有價值?Michael Levitt教授笑稱,他並不太關心基礎科學研究成果是否有價值,他喜歡這項工作。他表示,如果有配套的公司、律師、專利保護等,基礎科學研究成果可以轉化為應用科學。同時他提到目前,在美國從事基礎科學研究的年輕科學家,因為獲得的資金支援較少,很多選擇了轉行。Michael Levitt教授認為應該通過某些孵化器機製來鼓勵年輕科學家。

  那麼基礎科學是否重要?Michael Levitt教授認為,很難通過一個標準體系去評價一個基礎科學成果的是否重要。他介紹,通過粗略計算,一個國家大概需要二十年的投入才可以產出諾貝爾獎。(河雨)

  以下是演講全文:

  非常感謝,非常高興能夠參加本次論壇。能夠參加今天這樣一個諾貝爾獎大師的講堂。今天會有三個人來做演講,我看起來像一個物理學家,其他兩個人剛好和我相反,所以說這是一個物理學家的大師講堂。但是這也反映出在科學領域學科之間的區分是非常有意思的。其實這種區分也不是特別的有意義。

  今天,我要講的話題也許並不合適諾貝爾獎大師講堂,這是一個非常籠統的介紹,也就是基礎科學對於重要的發現是否是一個基本的前提。我想這是很多人、很多大學、很多政府,目前都在面對的一個問題。

  我今天會分成幾個部分來講,我會稍微地介紹一下在五十年代,我怎麼樣成為一個物理學家,然後還有我所研究的領域計算結構生物學。另外總體來講世界上的人民,實際上他不是關心的是基礎科學和應用科學之間的區分,而是怎麼樣應用基礎科學,從我自己的職業生涯來介紹一下怎麼樣做到這一點。有的時候通過一些隨機的過程來實現的,並不是說有一個既定的過程。然後我會介紹一下那些年輕的美國的基礎科學家,在美國現在其實這些年紀比較大的科學家獲得的資金支援越來越多。然後我再問一下基礎科學是否重要,每個國家是否都需要基礎科學,在當今的世界並不是每個國家的基礎科學非常好,有些國家可能做得更好一點。最後我介紹一下怎麼樣來獲得眾多的諾貝爾獎,我講諾貝爾獎實際上說的是怎麼樣做基礎科學的研究,這是一個理念性的問題。

  在50年代到60年代期間,科學家把現代生物學重新界定為物理學,這對我來講非常重要,我是1947年出生的,當發生這樣變化的時候我還是一個青少年,其實我對生物學並不是特別感興趣,我喜歡的是物理、數學等等。突然發現生物學還有我們身邊這些跟生物相關的也算是物理學,我覺得非常有意思。所有的生物學的理論實際上都是弦理論,也就是說這個弦怎麼樣通過不同的方式來摺疊,所以說生物學實際上跟中國結有類似之出。

  我會介紹三個非常重要的科學家,如果說方便一個在LCD屏幕上用的激光筆就太好了,有的時候你用不了最後就放棄了。如果是激光耗用就太好了。介首先介紹一下Francis Crick,這個人是非常知名的諾貝爾得主,他發現了DNA的結構,他不僅有DNA的模型,同時他也顯示出DNA是怎麼樣來自我複製,然後兩個母體的信息可以結合在一起。所以這是一個非常簡單的分子機構,它就像樓梯一樣,是一個雙螺旋的結構,非常簡單的結構。但是這個結構實際上能夠信息的基本的元素,那就是信息怎麼樣傳遞,信息怎麼樣傳播,這也是大家都需要瞭解的一個生物的概念,那就是人的進化,沒有進化就沒有生物學。

  DNA的架構,前面講是非常的簡單。我給大家指一下左下角,你可以看到每一個字母差不多是32個原子,但是DNA在生命和身體中並沒有做什麼事情,所有的事情都是蛋白質完成的,蛋白質實際上都是分子鏈,並不一定是圈圈,所以它們就像一個項鏈一樣,但是這個項鏈自動的以非常精確的方式進行摺疊,就像這樣非常的穩定。然後這個蛋白質就有功能,然後是通過芯片來完成的,所以蛋白質它是比DNA等複雜的,每個蛋白質都是不同的鏈。

  而發現了第一款蛋白質結構的人,他在1961年的時候發表了一篇論文,《科學美國人》雜誌,比《自然》雜誌還更權威。封面介紹的是蛋白質的結構,實際上有一個鏈的形狀,而這個鏈之所以是穩定的,就是因為不同的原子相互的互動。這上面是一個小的蛋白質,差不多有1400個原子,這是個小的蛋白質。而我們的身體當中,有比較大的蛋白質,就是血紅蛋白,就是這個蛋白質的4倍。你也可以看到不同的動物是不一樣的,比如說這個鯨魚的蛋白質就是我們這邊展現到的,那蛋白質也決定了鯨魚的肺的運轉。

  接下來是第三個人Perutz,前面說的血紅蛋白是他發現的。他的分子比較大,而這個結構之所以能獲成,就是讓蛋白質結晶,我們都說蛋白質比一般可以結晶的物體更為複雜,比如說鹽。所有的蛋白質都有同樣的形狀,都可以結晶。那差不多花了十年時間才解決了這個結構。

  我講這三個人,並不是講他們做的事情,而是他們的行為。在當時大家都希望能夠讓年輕人有獨立性,比如說不要在導師的論文上讓他們署名。Perutz差不多是花了10年的時間才解決了它的這個結構,我講這三個人實際上並不是講他們做的這個事情,而是他們的行為,Francis你可以看到,和前面這兩個科學家都是聯繫的,Kendrew是為克里克工作,Kendrew也用了Perutz的方法來找結構。而Kendrew也是Perutz的博士生的學生,但是大家都沒有聽過Perutz這個人,因為這個論文發表的名字並沒有他,所以這也是給我們一個教訓,因為在當時大家都希望能夠讓年輕人有獨立性,比如說不要在導師的論文上讓他們署名。而Kendrew是為Perutz工作,使用了Perutz的方法解決了結構,但是Perutz的署名並沒有出現在前面說Kendrew發表的論文當中。所以以前的這個事件首先讓我們學到了物理學,為什麼說是物理學呢?因為分子和橋樑不一樣,他們是塊狀的,必須通過力量才能夠穩定,才能夠有結構。

  所以以前的事件,我們學到了物理學。為什麼說是物理學呢?因為分子和橋樑不一樣,他們是塊狀的,必須要通過力量來進行穩定,才能夠有結構。所以在早期,我們很多的科學家的語言,我們說所有的生命都是一個鏈,這個鏈是以精準的方式來擇的,就好像你有一個項鏈,有20個不同顏色的珠子組成,然後大家每個的形狀都是一樣的三維形狀,而這樣的一個形狀差不多是十分之一納米大小,或者是百分之一的納米。然後整個差不多是三到四個納米的大小。

  接下來繼續,X-射線晶體學我們能瞭解分子的結構,那功能來自於哪兒呢?萬物的功能都和運動相關。如果你看一個人的靜態是不夠的,你必須要知道它動是什麼樣的。但運動這塊的研究畢竟它的更難,因為這些分子蛋白質很小,比如說蛋白質直徑可能只有五到十納米長,而且它們的速度特別快,以秒計,所以你很難用顯微鏡來觀察。這也是為什麼我們有X-射線結晶,這樣就可以進行平均取樣。那怎麼樣獲得功能?

  首先就是通過這個運動,運動怎麼實現呢?就是使用電腦。大家每個人的職業生涯中幸運非常的重要,你是不是有運氣。那有的時候這些事情發生,可能是你預期之外的,或者說你不想發生的。我一直都說,科學家他自己的職業不能有五年的計劃,可能五年計劃只適用於國家的規劃。如果個人製定自己發展的五年計劃對我來說就是浪費時間,20歲的時候做一個五年計劃,但是你發現你21歲的時候一切都變化了,所以你必須要有自由度。而且要看運氣是不是來敲你的門。我的生活中就有很多的巧合,我們這邊講的是計算的結構生物學。計算機讓分子獲得了活力,那我這邊參與了一個項目,是Kendrew的,Kendrew解決了蛋白質的結構,他獲得了諾貝爾獎。他獲獎之後就被電視台要求參加了一個節目的拍攝。當時的電視節目很少,而且看的頻道很少,很多的電視都是黑白電視,而且白色也不是很亮,因為技術不夠。因為這樣的機緣巧合,我就在1963年去了英國,然後是甘迺迪被刺殺三天前,我以前是在非洲出生的。然後我當時去了英國以前,因為以前沒有看過電視,所以發現電視,我就每天看電視,然後我就看了前面說的他所參與的節目。這個節目是1964年播出的,我看了之後就知道了生物學相當於物理學,你可以看到節目的主題,包括生物的革命,還有一維的蛋白質,三維的蛋白質,這是基礎的生物學的課程。我看了他的節目之後,我就決定待在英國,我是來自非洲,後來去了倫敦上了三年大學,我希望跟他合作。給了寫了信,他說不好意思,這一年沒有名額了。但是我很幸運,因為我有朋友來商學院上學,然後這個人就說在我們商界中如果有人拒絕你的話你不能接受,你要再回給他你的要求。然後我就問Kendrew,如果今年不行,明年行不行?聽起來好像挺愚蠢的,但是他說好吧你來這邊,我對你進行面試,然後我就去了那邊。然後他們說一年之後會告訴你,我們會不會收你。

  進行的面試,他們就說一年之後會告訴你我們會不會收你,然後說沒關係,我可以的,一年之後,說不定什麼都沒有,那60年代的時候,大家都是急於生活的,說不定我得回去去其他的地方,在我朋友的堅持下,我就去劍橋見了另外一個人是一個社會工程師,告訴他我對自己的未來很擔憂,他就說去我的辦公室,他就說不能夠幫助我,我和Kendrew一起管理實驗室,但是Kendrew不在這,下週你再過來。然後他們又回來找我,說我可以一年之後去劍橋,但是有一個條件,我必須要去以色列,在以色列呆一年的時間。

  以色列現在很知名,但是當時是1967年,當時國家還是挺落後的,他說你要想進入我們劍橋的團隊就必須要進以色列。他派我去以色列和右邊的這個人合作,他是我們參與者之一。我們差不多五年前也見過,在以色列他和我希望能用物理學來預測小分子的架構,但是這個以色列人意識到大分子也很重要。我上交了我寫的程式之後,我就問這個程式可以用到其他的領域嗎?我們說一致是哲學的關鍵,我們有力量讓原子之間能夠一致。但是一致就表示你必須要有個一致的力量廠,這當時我們沒有量子學,而計算機也不夠強大,所以對於非常簡單的互動沒有辦法來進行計算。所以我們就有一個一致立場的概念,它實際上是個模型。而且也可以解釋不同的參數。怎麼樣計算呢?主要是測量,並且計算分子的一些已知的參數。然後進行改變,然後這就是一個所謂的優化的過程和現在的機器學習相似。當時我寫程式也是進行計算的,然後來不斷的優化,然後機緣巧合,我當時在實驗室做工作,然後我看到了一些小的工具可以幫我來做模型。當時的模型不能在計算機上做,然後我就做了這個模型,你可以看到蛋白質有幾千個原子,你要建模是很難的。我在計算的時候就想這樣的模型能放在計算機里嗎?因為為了建這個模型,他們給了我結晶的坐標。然後我輸入到計算機之後,就真的在計算機上完成了。

  我也是在1967年出版了第一篇論文,在《自然》雜誌上發佈,這裡面介紹的蛋白質的構造很穩定,雖然形狀很奇怪,但是裡面的原子很文件,我也和他合作了其他的項目,這些項目背後實際上就是愛因斯坦所講到的,所有的一切萬物都應該足夠簡單,但是不應該太簡單,這適應所有的科學,你選擇的模型不能太簡單,也不能太難。愛因斯坦可能沒有說過這句話,只是假新聞,有些記者說是愛因斯坦說的,但是這句話很真實。

  (詳見PPT)右上角的簡單鏈蛋白質的精髓,我前面說了,不同珠子的鏈子,在當時的計算機可以快速的摺疊,儘管是六七十年代,希望的工作更複雜,但是是不同鍵的鏈。我這邊介紹一個方法,就是量子力學,你把非常簡單的分子拿過來,然後進行去化,

  就可以把它的這個鍵打開。後來我去了恩斯德哥爾摩做了演講,一開始都是用瑞典語講的,為了反應出我是能夠學習一些東西的。我20歲的時候做的工作,過了很多年才得到認可,但是我覺得沒有關係。

  接下來我想跟大家介紹一下最近的事情,這是核糖體異位。這本來是由26個原子組成的,這是的。這是我現在做的工作,實際上我所有的工作都是關於基礎科學的,我一直是在基礎科學的研究所,包括劍橋的、斯坦福大學的醫學院等等,這裏就像中國的科學院一樣,有一點點教學工作,但是很多是研究的工作,非常的幸運我的工作得到了很多的支援。那麼現在的年輕人是怎麼樣的狀況呢?首先我想說,基礎科學是否有價值呢?想問這個問題,基礎科學家,其實並不關心他們的工作是否有價值,他們真的不關心,不這麼想的。其實發現一個東西,然後這個東西有可能並不是很有價值的,曾經有過這樣的例子,現在就是這樣的發明在銀行體系當中所使用,以前就是純數學家阿德曼(音)做的研究,他說數學方面,比如說一個大的算術,如果我告訴你200位數的大的數字,你可能需要很長的時間才能夠去算出結果,所以說這都是涉及到銀行的加密等等。還有一些互聯網公司。

  從我的經驗來看,我在80年代初的時候做了一些工作,是想瞭解一下抗體,抗體實際上就是蛋白質,也就是捍衛我們身體的這些分子。那麼抗體事實上有兩條鏈,大家可以看幻燈片上面有兩條鏈,不同的抗體的形狀是有所不同的。那這個形狀是可以識別出其他的分子,可以抗體實際上就是捍衛身體的分子免受外部的侵蝕。比如說在應對癌症等等方面的應用,我在1987年去哈佛的時候,大家覺得你可能是一家公司,或者是你有一個自己的公司,我曾經在一個非常小的海灣地區的公司工作,這家公司是進行蛋白質工程設計,因為科隆在八十年代初的時候發現,你可以對基因進行這種編程,然後通過這樣子的做法,在實驗室進行這樣的基因排序的工作。這篇文章裡面提到過人的抗體是會和白介素二受體結合,也就是說它是在白細胞的表面上,除非你有抗體能識別出來,但是前面的人性化的,是什麼意思呢?就比如說你把它注射在酪素當中,我們把這個抗體從老鼠體中提取出來,應該可以得到識別,現在你再把它注射到人體當中,如果你把老鼠的抗體注射到人體當中,人就會生病,你必須要重新設計出新的抗體,這看起來更像是人員化的抗體。這樣的過程,是一個Winter所設計的,這是一個劍橋實驗室,比如說剛才提到的白介素,紅色是抗原,白色是殘留,灰色是抗體,也就是說灰色這塊是人的,紅色的是老鼠的。但是如果看一下建模,紅色和白色之間,我們好像還需要做一些調整才能夠成功。這是非常簡單的,我們再看一下另外一個做法,右邊的好像中間有一個中間區,然後這個非常的重要,花這麼多的錢來開發治療癌症的療法,成為一個大的業務,在2014年的時候這個專利失效。2012年的時候這個實驗室因為不同抗體所獲得的這些費用,實際上是非常高的。這些大概是一年當中有5億左右,2013年之後又更多了,也就是說花了20多年的時間從發現轉變成真正的應用。這個專利有可能在15年中是有用的,這就反應出我們可以從基礎科學進一步延伸到應用科學,不過這需要勇氣,需要有律師和公司,需要有人投資,你光有科學是不行的,比如有人找我到想讓我們通過這個來賺錢,我覺得這不是我關心的,我們需要有人來創立公司,我來做研究,然後有專利,專利和知識產權必須要保護,保護也是為了保護投資人,所以說這是一個流程。

  所以說在科學當中,我是一路走得非常好。但是年輕人,現在年輕的科學家並沒有得到那麼多的基金的支援,不像30年前的那種情況。尤其是年輕人他們所得到的資金支援是少於一些年紀比較大的科學家,現在40歲的人就像是當年30歲的人的待遇一樣,所以40歲相當於以前25歲人所接受的待遇,對於年輕人來講小的想法其實可能對他們來講比那些自身的人想法來講顯得更加有創新性。比如說Apple、微軟、Google等等公司的創始人他們都是從大學輟學的,他們沒有辦法等到22歲,不能夠等到20多歲,比如說博士畢業等等,提前輟學了,現在年輕人他們不願意再等。

  我覺得在科學領域也是一樣的,接下來我要問一個比較籠統的但是很重要的問題,就是基礎科學是否重要?可能大家覺得顯然是重要的,但是也許並不是這麼明顯,首先什麼叫做基礎科學呢?其實很難判斷,首先基礎科學它是不是幸運、運氣,或者是碰巧,這個詞非常有意思,它是意大利人在1957年的時候發現了,它是源自於當年斯里蘭卡,這是源自於這個西蘭,後來這個西蘭的王子非常的幸運,也非常有智慧,所以說這個詞代表的就是幸運。科學其實也是一樣的,科學的發現就好像是獲得了獎一樣,它是很難去預測的。我們沒有辦法規劃和預測我們要做什麼,但是你必須要買票,如果有很多票,最終贏得獎的這個幾率就會更高。有家公司做過調研,比如說你買100張票,或者上百萬張票,你贏得的概率就會更高,這是比較瘋狂的。基礎科學是否重要呢?很多時候你不知道什麼是基礎科學,你也不知道誰做了基礎科學,所以實際上很難來評價某一個基礎科學發現的價值。

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