2009
2019年01月号

科学发现的三大规律之二“挑战型”科学发现

作者:肖飞

在上一期中,我们着重探讨了攻关型的科学发现轨迹,不论是镭元素及艾滋病毒(HIV)的发现,还是抗梅毒药物606的合成与筛选,都是设定了研究目标,基于前人积累的数据,逻辑地设计方案,并在一定范围内地毯式铺开试验,向目标趋近,与时间及同行赛跑,通过执著及拼搏,实现世界第一,并圆诺贝尔奖的梦想。这一科学研究的思路及方式,思路缜密,顺理成章,常常在科研基金的申请报告中留下其痕迹。
今天,我们探讨第二种科学发现的规律:挑战型科学发现。
在挑战型科学研究中,科学家们以其独到的批评眼光,是对已被公认及共识的理论提出质疑,挑出其缺陷,并通过科学试验,建立起一整套新的科学理论,完善地解释及解决旧理论产生的矛盾及问题,导致一个破坏性的创造。

挑战上帝,建立进化论
达尔文出身于医学世家,曾迫于家庭压力,进入医学院学习。但他无法忍受解剖尸体以及无麻醉下的粗暴外科手术,中途退学。父亲再次施压,逼迫爱好采集植物标本、“游手好闲”的达尔文上了神学院,期望达尔文日后服侍上帝,成为高薪的牧师。但他心猿意马,一心想当自然学家,并把大部分时间花在学习自然科学上。终于在22岁时,达尔文登上了贝格尔船,开始了长达5年的环球考察(The Voyages of the Beagle)。在旅途中,达尔文做了368页动物笔记,1383页地质笔记,770页工作日志。达尔文利用尸体解剖课学到的本领,解剖鸟及其他小动物,制作并带回标本3907个。他仔细观察大自然的奇花异草及珍禽异兽,并从他们的不同中寻找共同点,从共同中寻找不同点。通过分析亿万年的岩石,数百万年的动物化石以及千变万化的植物及动物,一个新的规律逐渐浮现出来:物种为了适应环境而改变自己的形状,那些能顺应环境的物种则生存下来,而不能适应的物种则消亡。对比神学院的教育,达尔文更加怀疑上帝创造人的理论,人类与所有的物种起源于一个祖先,而不是像圣经上所描述的上帝创造了人。经过数十年的思考及论证,一个崭新的挑战性的理论在达尔文的脑海里形成了,各物种起源于共同祖先,生物为了适应环境而不断进化,适者生存。1859年,达尔文发表了《物种的起源》这一科学巨著,从此,科学、文学、社会、经济、宗教等各个领域被“进化论”震撼、颠覆及重塑。
仔细观察,认真记录,系统总结,抽象思维,用“心灵之眼”(mind eye),从习以为常的现象中发现异常,在异常中寻找相似的规律,是成就达尔文发现“进化论”的科学方法。更重要的是,达尔文有敢于挑战权威的精神,上帝也不在话下。他系统地了解“上帝创造万物”的理论,当看到无比复杂的物种多样性时,更深刻地质疑上帝的造物本领,以破坏性的创造,在否定了“创造论”的同时,发现并建立了新的科学理论,合理地解释了物种起源及进化的规律,万物起源于共同的祖先,是自然的力量创造出了缤纷的世界。尽管上帝的崇拜者们把达尔文视为怪物,将他的人头猿身像张贴侮辱,但真理是不会被权威及谩骂摧毁的,200年前诞生的达尔文改变了世界及我们的世界观。
从质量永恒到物质能量转换
牛顿天才的洞察力及计算力,让他从苹果落地的过程中悟出了万有引力,形成了力学三大定律,描述了永恒的空间及时间,并较完善地解释了太阳系内的力学现象,没有任何人怀疑这一整套经典定律,直到爱因斯坦的出现。
1895年,16岁的爱因斯坦开始想象着以光速飞行时的情景。因为他的总体成绩不佳,大学毕业后没有找到教学工作,只好在专利事务所谋职。他没有放弃少年时的梦想,利用扎实的数学基础,开展了大脑试验(mind experiment)。1905年,爱因斯坦发现了相对论及量子力学,并建立了20世纪最著名的公式E=mc²。
在此,我不想假装懂得相对论,我只是探讨爱因斯坦的轨迹、方法及精神。
作为地位卑微的专利审评员,爱因斯坦没有受尊敬的学术头衔,但他敢于向最权威的牛顿定律挑战,他以数学推理,发现了时间及空间不是永恒的,会随着速度的变化而变化;重力不单单依赖于质量,而是质量、运动及能量间的相互作用;质量与能量间可以互换,根据那个著名的公式,一个指甲盖大小的木块,可以释放出一颗原子弹的能量,原子弹的发明就是在爱因斯坦的理论基础上产生的,同时也是E=mc²的验证。因为没有传统的试验证实,这些革命性的理论并没有为爱因斯坦带来他梦寐以求的诺贝尔奖,而是他的光电转化理论为他赢得了诺贝尔奖。
整整一个世纪,爱因斯坦的理论使宇宙运行的规律得到了更好的解释,同时,他既是挑战者,也是被挑战者。根据Hans Ohanian的《爱因斯坦的错误》(Einstein's Mistakes)书中显示,爱因斯坦一生中发表过180余篇文章,其中23篇文章中出现严重错误。与不断地证明爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家相平行,人们不断地用观察及试验挑战着爱因斯坦的理论。
爱因斯坦的卓越贡献,基于其敢于挑战的精神,发现问题及思考问题的能力,跨学科的雄厚的基础知识以及不畏权威,勇于发表自我独特见解的魄力。爱因斯坦在挑战传统理论的同时,也为后人提供了挑战权威及开创新学说的机会。
颠覆十二指肠溃疡理论
当Barry Marshall刚从医学院毕业,在澳大利亚西部边远城市Royal Perth医院当住院医生,1981年,他偶然用四环素治疗一位严重胃痛的病人,14天后,病人的胃痛症状完全消失。当时对胃及十二指肠溃疡的病因诠释为,精神紧张、饮食不规律、胃酸过高等因素,老师们也按照教科书中的“经典”内容,一代一代地传授下去,没有人对这一传统的无科学根据的理论提出异议及挑战。Marshall通过这一病例的成功治疗,开始了对传统理论的颠覆征程。
在同一个医院的病理科,Robin Warren已发现胃溃疡病人的病灶中有带长尾巴的螺旋菌(H pylori),但没有人会注意这些细菌与胃溃疡有关,人们普遍认为,胃酸的pH值低至2.0,没有细菌可以生长。Marshall没有放过这一线索,他继续搜集标本,并证明胃溃疡病灶中含有这种细菌,并且将带长尾的细菌分离出来,但要证明这种细菌与溃疡的相关性,除了病灶中发现细菌,分离出细菌外,还需要两点证据:注入细菌可以致病,祛除细菌疾病消失。Marshall反复将细菌注入大鼠胃内,但均未诱导出溃疡。在无奈之下,他让同事为自己做胃镜检查,证明一切正常后,毅然将细菌一饮而入。数天后,他感到胃烧灼、泛酸、恶心及头晕,再行胃镜检查,发现胃溃疡及粘膜肿胀;服用抗生素治疗,数天后症状消失,胃镜复查显示胃黏膜恢复正常。Marshall将这一发现及新的理论成稿投向澳洲胃肠病学大会,虽然在67篇投稿中有59篇被接受,Marshall的文章惨遭拒绝,胃肠道病学的专家们不能接受这一反传统的理论,抗酸药物的生产厂家也不愉快,设置了许多障碍及质疑。1983年Marshall将论文改投传染病大会,终于被接受,但是,被安排在晚上分会场最后一个发言,台下仅十几个听众,没有人认识到这是一个革命性的科学发现。《新英格兰医学杂志》也同样拒绝发表Marshall的文章。Marshall 被胃肠道界及传染病界的大腕们称为“疯子”,一直排斥在外。
但是,真理是经得起时间考验的,随着越来越多的医生发现了胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡与此细菌有关,并尝试用抗生素成功地治愈胃溃疡,Marshall的理论终于被认可。这一带尾巴的螺旋菌(幽门螺杆菌)不单单导致胃及十二指肠溃疡,还通过炎症等过程导致癌变。Marshall的发现为人类根治胃溃疡,从而预防胃癌提供了思路。因此重大发现,Marshall同Warren共同获得2005年的诺贝尔医学及生理学奖。
Marshall的发现有巧合性,但他的挑战传统观念的勇气及执著的献身精神成就了他的诺贝尔奖。
执著、献身、信念、科学思维、不畏压力成就了Marshall的诺贝尔奖。当Marshall获奖后,所有的学术组织均邀请他去演讲,其中包括胃肠道疾病学会,学术权威们表示,他们早就认为Marshall的研究意义重大,对他的献身精神钦佩有佳,Marshall早已是他们中的优秀一员,医学会自始至终支持Marshall的研究及发现。Marshall的成功改写了学术权威们大脑中的记忆。
从“垃圾堆”里走出的设计师
当我在医学院上生化课时,课本以大篇幅描述DNA,那是人类生命的模板,含有生命的密码,其中,只有很少的DNA复制有意义的RNA,起到转运氨基酸(tRNA)及翻译模板(mRNA)的作用,严格按照DNA的指令,合成机体内的蛋白。而剩余的大量RNA碎片,则被认为“垃圾碎片”,是进化过程中的残渣,无任何功能。当时的理论显示,人类区别于其他物种的根本,在于有复杂的DNA,有更多的基因。尽管数据已证明,人类同猩猩的基因只有1%的区别,同大鼠的蛋白组成只有10%的不同,但无法合理解释人类与它们的巨大表型差别。我没有深度思考,没有发出任何疑问,更没有挑战无法给予圆满解释的DNA决定论,而是盲目接受了书本知识。
直到2004年的一天,我有幸聆听了斯坦福大学的Andrew Z. Fire教授的讲座,彻底颠覆了我的传统观念。人类拥有的DNA并不是最多的,羊齿类植物的DNA碱基数量比人类多数倍,玉米的基因数量也多于人类,只有那些含20~30个碱基的“垃圾”小分子RND(siRNA,MicroRNA,RNAi)数量,才是区别人类与其他低等动物的关键,人类拥有的小分子RNA的数量是最多的,而且,随着物种复杂性的升高,细胞内小分子RNA的数量也随之增加。研究显示,小分子RNA担当着设计师,是它们决定着哪些DNA可以表达,生成什么样的蛋白,形成什么样的组织,甚至产生什么样的智慧,从而导致体内蛋白质成分相似的人类与大鼠,长成差别巨大的机体。小分子RNA在植物、霉菌、昆虫及哺乳动物细胞内均有,它们可以产生抑制病毒复制、调节炎症基因、抑制致癌细胞、诱导免疫耐受等作用。我当时惊叹,这一革命性的发现应该获得诺贝尔奖。
随着试验数据的不断积累,小分子RNA的应用前景更加清晰,诺贝尔奖委员会将2006年诺贝尔医学奖授予斯坦福大学的Andrew Z. Fire及麻省大学的Craig C. Mello。
盲目接受知识,对不寻常现象不发出提问的人,不深入思考追根问底的人,与科学发现及诺贝尔奖无缘。养成提问的习惯至关重要。1944年诺贝尔物理学奖得主Isidor Rabi教授在获奖感言中说,他在上小学及中学时,每每放学回家,他的妈妈不是问他“你今天学到了什么?”而是问“你今天提出了一个什么好问题?”正是这种从小培养出来的提问精神及思考习惯成就了他。
同时,创造良好的提问文化氛围亦至关重要。我国的初级教育过于强调学习知识,死记硬背,学生无题可问,老师不喜欢、更不鼓励学生提问。不单单是学校,在学术界,学者们习惯互相吹捧,把提问者当成找茬者,不求甚解,不去思考,学场成了官场。这样的氛围难以振兴我国学术,更无緣诺贝尔奖。
提出问题只是跨向挑战型科学发现的第一步,找出解决问题的方案则是关键。爱因斯坦说过,“我们面临的最大问题是:总想在发生问题的层面上寻找解决问题的方法”。 更新思维方法(paradigm shift)尤为重要,新的科学发现需要我们摒弃固有的习惯思维,“跳出盒子”看问题。
攻关型的科学发现,往往采取推理(induction)的推进方法,以及排除(reduction)的剥离方法,向既定的研究目标趋近。然而,挑战型的研究需要心灵的眼睛,独到的洞察力,更需要打破常规的挑战精神。挑战者大多不被主流群体喜欢,被学术团体拒之门外。但是,当新的理论被广泛证实,并获大奖之时,主流的权威们又会表现出超常的热情,并表述早就看中了挑战者的工作及精神,寻找一切线索以显示挑战者来自他们的群体。因此,成功的挑战不仅仅会为学科带来破坏性的重建,还会为个人带来戏剧般的转机,从一个不入流的麻烦制造者,变为改变世界的英雄。
为了科学、为了真理、为了荣誉,勇敢地去挑战吧

(作者:肖飞 《生命新知》2009;4:46-48)

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