湯超：定量生物學路上的自由探索者

本刊記者 曹雪琴

專家簡介：

湯超，北京大學講席教授，“千人計劃”（高校和科研機構創新）第五批入選者。1978年3月-1981年7月，中國科技大學，在近代力學系學習；1981年9月-1986年8月，芝加哥大學，物理學博士；1986年9月-1988年8月，布魯克海文國家實驗室博士后；1988年9月-1991年10月，加州大學圣塔巴巴拉分校理論物理研究所博士后；1991年10月-2005年3月，NEC美國普林斯頓研究所研究員、資深研究員；2005年3月-2011年9月，加州大學舊金山分校生物工程與治療科學系、生物化學與生物物理系、定量生物科學研究所教授；2011年9月-至今，北京大學講席教授。在統計物理、凝聚態物理、非線性科學、系統生物學等領域開展了許多開創性工作，近年來著力用物理學思想及方法研究生物問題，在蛋白質結構、細胞周期、生物調控網絡等方面取得重大進展。發表文章80余篇，被引用上萬次。

1987年提出自組織臨界現象的概念及理論，在非平衡與復雜系統方面開創了一個新領域。

1996年將統計物理思想引入蛋白質折疊理論，提出可設計性原理；

2004年將非線性科學的理論應用到生物網絡控制研究，提出了生物系統穩定性的理論解釋；

2006年利用系統生物學的方法研究生物網絡功能模塊，發現生物功能對網絡拓撲結構存在強限制。

2009年用理論與計算的方法研究生化適應性網絡，找出了其中具有普適性的設計原理。學術任職：

2005年，世界頂尖的生物醫學研究機構——加州大學舊金山分校終身正教授，領導推動定量學科與生命科學的交叉。

2001年，受李政道先生邀請，創立北京大學理論生物學中心，領導推動定量學科與生物的交叉。

2003年, 獲國家海外杰出青年、長江講座教授。

2011年，千人計劃全職回國。在北京大學理論生物學中心基礎上，發展成立北京大學定量生物學中心。

2011年，擔任北京大學生命科學委員會主任；協助北京大學生命科學相關學科建設與發展，推動協調與醫學的交叉合作。

2011年，協助設立北京大學生命科學研究與人才培養改革試點，組建北京大學-清華大學生命科學聯合中心，擔任中心學術委員會主任。致力提升兩校生命科學研究實力和人才培養水平，帶動中國生命科學發展。搭建北京大學蛋白質平臺公共設施，任平臺牽頭負責人之一。

2012年，創辦前沿領域期刊《Quantitative Biology》，任共同主編。

上世紀80年代初，中國沒有雅思，也沒有托福。盡管中國已經開始打開國門，步入改革開放的新時代，正式渠道的缺乏，還是使留學成為中國學生眼中的奢侈品。1980年，李政道借助自己的聲望，在中美之間著力溝通，正式主持中美聯合招考赴美國留學物理研究生項目（簡稱CUSPEA），希望為祖國的物理學人才走向國際前沿貢獻力量。這個項目，前后輸送出近千名留學生，其中，不少都成為棟梁之材。而該項目第一批留學生中，便有一位崇尚自由、揮灑如風的學者，他就是現任北京大學定量生物學中心主任的湯超。

初涉：興趣是最好的導師

一千個人心目中有一千個哈姆雷特。就像“文革”，經歷它時，湯超不過是一個孩子。對一個小孩子來說，外面的世界并沒有太大的概念，他所能感受到的也是孩子的自由。誠如他記憶中所呈現的：課少、沒有家庭作業、家長老師不再特別嚴格地管制、成天在外面玩兒。彼時，湯超最富有的，便是時間與自由。

“那時的我基本是非興趣不讀書。記得我們家剩下不多的書里就有幾本《十萬個為什么》，我尤其對其中講述物理的部分感興趣。再加上中學時代有位優秀的物理老師，他的引導也讓我覺得物理很有意思。到1977年高考時，我就想上中國科技大學的物理系。”湯超說。然而現實并不盡如人意，那一年，中國科技大學的物理系、近代物理系、地球物理系均不在江西招生。他最終選擇了中國科技大學力學系。從入學到1981年離開科大，湯超表現的并不那么“安分”，而科大開通、自由的學風也“縱容”了他的執著。在科大的三年半中，他常常跑到物理系去旁聽，反而力學系的課有時會缺席。這種“不務正業”不僅沒有讓他在力學專業上落后，還為他積累了良好的物理學基礎，使他在隨后順利通過了CUSPEA考試，進入芝加哥大學攻讀物理學博士學位，主攻統計物理。1986年獲得博士學位后，他曾先后于美國布魯克海文國家實驗室及加州大學圣塔芭芭拉分校理論物理研究所開展統計物理學研究。直到1991年任職于NEC普林斯頓研究所后，他的研究視野發生了轉移。

“那是日本電氣公司（NEC）在普林斯頓設置的一個研究所，主要做基礎研究。NEC開設該研究所的目的是想仿照美國貝爾實驗室，聚集一些優秀的物理學家和計算機學家，做一些交叉學科方面的東西。在那兒，沒有外面申請項目經費的壓力，也不用教書，各方面的壓力都比較小，要做什么完全是憑借自己的興趣，很自由。”其實，在來該研究所之前，他所提出的自組織臨界現象的概念及理論已經在1987年發表，其相關論文被引用幾千次，被學術界視為開創了一個新領域。而此時，自由之風再次激揚起了他心中的斗志，打算做些新的東西了。“當時，已經有一些物理學家開始就生物問題展開研究，其中也包括我的同事。在他們的影響下，我接觸了一些生物問題，覺得特別好玩兒。于是，開始找題目、參加別人的組會、看生物文獻，足足摸索了半年，就是想找到研究的感覺。”沒有想到，“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫”，湯超大半年覓而不得，卻被一次偶然的學術報告擊中了心弦。那是斯坦福大學一位研究超導物理的教授，他所講述的內容是蛋白質折疊，而聽在湯超耳中，這個問題便被轉化成了統計物理折疊的問題。之后，他聯合兩位志同道合的伙伴，開始了蛋白質折疊研究。

在一個物理學家云集的研究所里做生物研究，湯超他們的路其實不大好走。因為周圍沒有什么生物學家或者生物化學家，他們無法得到更多的幫助，只能努力學習，增加自己在生物學方面的素養。只是，這種艱難在一群喜歡挑戰的人身上，卻變成了一種樂趣，“沒有了條條框框的束縛，我們可以完全按照自己的想法去做，不必受到既成思路的影響。這是我們的優勢。”這種探索，是他真正步入交叉學科的開始，從此，一發不可收拾。1996年，他提出了蛋白質結構可設計性概念，這一發現在美國《科學》雜志得以發表，并同期配發了評論性文章，引起了相關領域同行的高度關注；1998年，針對蛋白質結構可設計性概念，他又提出了相應的理論來輔證，為物理思想與方法定量研究生物問題提供了一個范例。

“一般物理，像凝聚態物理、粒子物理等，都有其特定的研究對象和物理體系。與之不同的是，統計物理本身是一個方法，沒有固定的研究對象，反而要常常接觸不同學科的東西，比如此前，我還用統計物理的方法接觸過地震的問題。這就為我后來做交叉學科打下了一定的基礎。”湯超說。在他心目中，興趣是令他產生追求的動力，而在這個過程中不斷積累的“內力”又為他不斷追尋興趣點鑄就了后盾。周而復始之間，無法說孰因孰果，只能說他有意無意之中為自己打造出一條良性循環的科研“生態鏈”。

深入：從交叉中尋找突破

從蛋白質折疊“折騰”出名堂來后，時間就邁入了上世紀90年代末。此時，生物網絡也隨著新世紀的切近走入學術界的視野。已經迷上生物學的湯超，自然也敏銳地覺察到了這點。與此同時，美國工業界風尚出現了變化，對包括貝爾實驗室在內的各研究所的基礎研究投資越來越少，NEC也不例外。再加上對生物學研究興趣的與日俱增，湯超開始渴望進入一個生物學家相對比較集中的“圈子”，從中汲取更多的“正能量”。2005年3月，湯超與加州大學舊金山分校達成共識，正式加盟，希望能夠建立一些生命科學與定量科學交叉研究的項目。幾年中，從人員招聘、科研與教學環境的建設到科學研究與合作、研究中心的創立，他全心投入，忙碌著，也快樂著。直至2011年，他決定全職回國。

湯超自稱這個決定并不是倉促間做出的。早自1990年起，他就開始經常回國，開會、作報告、學術交流等等。上世紀90年代末，他遇到了北京大學一批志同道合的老師，他們的研究方向不一而足，物理、化學、力學、統計……但共同點是他們都存在定量科學研究背景，并且都對生物學有著濃厚的興趣。這批人一拍即合，決定發起北京大學理論生物學中心。中心正式建立于2001年，在李政道先生的邀請下，湯超出任中心主任。從此，他每年回國兩到三個月，或者更長時間，以便于開展中心建設。其間，何時全職回國就成了縈繞在他心頭的一個問題。“回國之前，我曾利用學術休假在北大連續待了半年，參與了北大的學科建設和學校發展工作，越來越覺得自己很有用。算起來，北大的交叉學科發展在國內是比較早的，但后來速度并不是特別快。我在這方面也算有些經驗，全職回來的話，會對北大交叉學科的推動更有效。國家和學校都很重視，年輕人想回國的也越來越多，在這樣一個關鍵發展的時期，回來可以做對學校對社會都有意義的事。美國是發達國家，就算我做得再好，其實多我一個少我一個都沒什么關系，但是在中國，這種參與，讓我很有成就感。”每每提及此事，湯超總是念念不忘家人的支持。畢竟，對一個科研人來說，沒有他們的支持，就沒有他在科研上的心無旁騖。

作為理論生物學中心主任和發起人，湯超談起中心的科研進展如數家珍。早期，他們曾把非線性動力學概念用在生物網絡的穩定性上，發現了生物網絡的魯棒性和穩定性。之后，他們又把網絡和系統生物學的概念用在尋找藥物靶點上，嘗試改革傳統藥物中單靶點的局面，轉為多靶點干擾，現已進入實驗階段。在合成生物學這個新鮮領域，中心也是國內較早步入該領域研究的單位。他們曾多次率北大代表隊參加合成生物學領域的國際性學術競賽——國際遺傳工程的機器設計競賽（IGEM），2007年第一次參賽就拿到了冠軍，并獲得最佳信息處理獎。以此為推動，他們在合成生物學上取得了有意義的進展。另外一個不得不提的，就是理論生物學中心對生物功能和網絡拓撲關系的研究。該研究由湯超課題組和加州大學舊金山分校Wendell Lim教授課題組合作，揭示了在生物網絡層次上如何實現生物適應性。該項研究所發現的規律性在生物系統中可能具有普適性，有助于加深對于生物系統復雜性的認識。這一研究成果已作為封面文章刊登在國際一流雜志《細胞》上。《細胞》雜志專門為此配發了評論。該論文第一作者為馬文喆博士，他是中心的第一批研究生。在該工作中，馬文喆博士等人在理論上研究了酶調控網絡的適應性問題。通過在理論上窮舉所有可能的簡單調控網絡，他們首先發現了不少具有適應性的網絡，這一點與生物中的多樣性是一致的。但是在具體分析了這些具有適應性的網絡之后，他們驚奇地發現所有這些具有適應性的網絡都可以被分為兩大類。首先可以在網絡結構上進行分類：第一類網絡包含兩條符號相反的從輸入到輸出的信號通路（不一致前饋回路）；而另一類網絡不包含前饋回路，卻包含至少一個負反饋回路。這種結構分類同時也對應著網絡中關鍵節點不同的功能。在不一致前饋回路中一定要有一個控制節點對輸入輸出進行成比例的調控；而在負反饋回路中一定要有一個進行積分調控的控制節點。這項研究表明，在復雜的生物現象背后很可能存在著普適的規律性。該研究結果可以作為參照標準來判斷已知的適應性網絡是否包含了必要的元素，是否完整；也可以用于指導合成生物學研究來構建新的具有適應性的網絡。

理論生物學中心的發展得到了來自各界的肯定和贊譽，不僅被評為第一批教育部創新研究團隊，還成為2007年國家自然科學基金委員會支持的首個“交叉學科”創新研究群體，2008年，又得到北京市重點學科建設對于交叉學科的支持。現有講席教授1人，長江特聘教授2人，長江講座教授2人，教授6人，特聘研究員1人，副教授4人，博士后2人，博士生45人，碩士生5人，本科生24人。此外，中心還聘請并吸引到一批國內與海外的杰出科學家兼職與定期訪問，形成了一個生物學研究的交叉學科研究群體。涉及研究領域目前包括系統生物學、合成生物學、計算生物學、生物信息學、基因組學、藥物設計等。目前，北京大學理論生物學中心已經更名為定量生物學中心。成立至今，中心始終堅持著最初的宗旨——利用北京大學的多學科優勢，集中數學、物理、化學、工學、生物和信息科學的研究力量，與國內外同行溝通聯動，采用理論與實驗相結合的方式，開展并推動定量系統生物學的研究和人才培養。顯然，它做到了，并且嘗試去做得更好。

目標：以交叉推動一流建設

自從《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》和《國家中長期教育改革與發展規劃綱要（2010-2020年）》發布后，為適應建設創新型國家的戰略目標，在我國加快建設世界一流學科和一流大學就成為教育界的追求。這一點，北京大學自然也不例外。2011年，湯超出任北京大學生命科學委員會主任，協調引導北京大學生命科學相關學科建設與發展。同年4月，他協助設立了北京大學-清華大學生命科學聯合中心，暨北京大學-清華大學生命科學人才培養與科學研究改革試點，并擔任中心學術委員會主任。

“以卓越的生命科學基礎研究帶動拔尖創新人才培養，建設國際一流的生命科學研究與教育中心。同時，通過體制機制改革與創新，為高等教育改革探索可持續發展的新模式，為科技體制改革提供可借鑒的經驗，為聚集、使用和培養人才提供可推廣的范例。”湯超這樣介紹中心的預期發展目標。為了實現這一目標，他認為，要從人事管理、科研管理體制、學生培養等角度進行全方面探索，力求將一流的教學與一流的科研結合起來，吸引、留住，并培養出一流的科研人才。

從人事管理上，他們不再設立永久性職位，堅持國際化、公開化，面對校內外、國內外，跨領域、高標準地進行招募。經過嚴格的篩選，生命中心如今的PI構成充分體現了學科的融合和交叉，除生命科學院外，PI還廣泛分布于化學院、物理學院、分子醫學所、心理系、動態成像中心、醫學部和附屬醫院。這些人，絕大多數都有海外教育經歷，（曾）獲“千人計劃”6人，“百人計劃”6人，“長江學者獎勵計劃”特聘和講座教授17人，國家杰出青年科學基金資助24人。用湯超的話說，他們之所以采取極其嚴格的招聘方式，就是要聘用最好的人才。“人才招聘是生命中心目前最重要的工作，我們在這方面投入了大量的時間和精力。目前已有30多位PI，還有幾位即將到位。”“在科研上，我們鼓勵PI去申請校外經費，但盡量保證他們不必為了經費而去做科研。我們希望他們能夠在這個平臺上為了自己的夢想，自由地、深入地、專心地去做有意義的研究。”

同樣的，在人才培養上，生命中心也做出了改革，“我們的招生破除了以往的模式，沒有專業限定，沒有年齡限制，也沒有考試。”沒有專業限定，就是將學生招收背景擴大到生命科學之外；沒有年齡限制，也就是說不一定是應屆本科生；沒有考試，則意味著新的評價模式。“學生要先寫一個自我介紹，內容包括他做過什么，個人的想法和理想等等，并由幾位熟悉他的教授對其能力、科研、學習等各方面進行評價推薦。經過初選之后，我們有一個專門的委員會對他們進行面試。整個面試過程其實是一個比較自由的交談，會問各種問題，談一下科研、人生觀等，對面試者的能力、興趣、英文水平等進行綜合考察。當然，學生進來之后的課程也是經過重新設計的。這種方式，最主要的就是希望能把學生從書本和考試中解放出來，讓他們學會如何去問問題、解決問題，達到我們培養一流創新人才的目的。”

湯超為學生解答問題

經過一年多的努力，生命中心那個“通過平臺創造一種鼓勵創新、自由思考的科研氛圍和文化”的夢想終于初見成效，這一點，在他們的PI雙周午餐會議上可見端倪。自2011年11月起，每隔一周的周四，中心就會組織一個午餐會議，由一位PI為中心PI們介紹個人和實驗室的科研工作及一些成型或不成形的想法。大家一邊吃盒飯，一邊討論。由于他們的學術背景各有不同，午餐會上的氣氛格外熱烈，通常是上面的人講完后，下面就會從不同的角度去討論。比如說，如果是一位做基礎研究的人在講述，討論階段可能就會聯系到設計藥物靶點和臨床應用上；同樣的，如果是一位臨床醫生在報告，那么下面的人可能會從臨床問題上討論到是否可以從基礎研究上做得更深入。“我們都是在做生命科學，但學科背景不同，物理、化學、數學、醫學等各種專業人都有。這樣的交叉和融合有利于創新的產生，而午餐會這種既輕松又熱烈的氛圍，也會讓我們有意想不到的收獲。”的確如湯超所言，這個“午餐會”不僅“吃”出了思想的碰撞，還“吃”出了成立學術交流委員會、教學委員會，以及以何種形式舉辦暑期學校等和生命中心人才培養與教學等相關提案。

緊張有序、平等活潑、自由交流，這樣的氛圍逐漸從午餐會上彌漫到中心上下，帶動了其和諧發展。與此同時，生命中心還將趁著“鳳凰工程”的東風，一方面參與到構建高起點的開放共享的公共研究平臺建設中；一方面借助其先進的設施條件，吸引到不同的優秀的科學家聯合開展課題研究，加強學術交流與合作，在擴大影響力的同時，共同提高生命科學研究與人才培養水平。湯超更是積極履行著自己的職責，走到哪兒，就將生命中心“帶”到哪兒，推廣著他們的理念。任何改革均非一朝一夕可完成，他只希望能夠通過自己的努力推動交叉學科的發展，也推動那個“一流”理想的實現。

人才：用交叉培育優勢

“有人說21世紀是生命科學的世紀，我認為這話只說對了一半。21世紀，應該是生命科學與其他定量科學交叉融合的世紀。這樣一個交叉融合會對整個科學、社會，乃至人類都產生深遠的影響。生物本身固然會因此而使定量化特點更加凸顯，人類對生物的理解也會因此更加深刻。如此，我們對環境、能源、健康等社會問題也會解決得更好。可以說，生物以后會成為一個創新源頭，為各個領域帶來革命性影響。”

與湯超這段話相映成輝的是，2009年，美國國家研究理事會發布了題為《21世紀的新生物學：確保美國領導即將來臨的<生物學變革>》的報告。報告指出：當今的生命科學研究已處于革命性變化的前夜，新生物學時代已經到來。而國際學術界對此的共識便是，21世紀新生物學之“新”主要在兩方面：一方面是生物學內部各種分支學科的重組與融合，另一方面是化學、物理、信息科學、材料科學等眾多非生命學科與生物學的緊密交叉與整合。“相對和平的國際政治局面，各國對科學的重視，尤其中國投入越來越大，再加上生物牽涉面廣，太多未知的東西等待大家去發現。對于定量生物學的發展來說，這是一個振奮人心的時代。”湯超這樣定論。

對個人來說，他目前的研究工作主要集中在系統生物學上。一路走來，他自認是個自由派，習慣于去尋找有意思的問題，而非先去問自己會做什么。他打過一個形象的比方，“不是拿著榔頭去找釘子。是因為看到了那個釘子，才去想我有沒有榔頭，沒有的話或者借一把或者與持有者合作。如果進一步又需要用到扳手了，還是這樣，先想想自己會不會用，不會用的話可以去學啊，或者還是與別人合作。總之，我做研究一般是從感興趣的問題出發，所以研究對象總是換，但選擇起來還是有大的原則的，就是能否以定量的思維方法去更徹底地解決。也許看上去不是一個系統，但總體看來是一條通路。”在這種研究方法的影響下，無論是個人，還是北京大學定量生物中心的未來研究，湯超都認為很難有定式，某些東西也不是現在就能想到能看到的，他如今能肯定的也只是圍繞定量學科和生物學科的交叉融合來發展。聽上去，充滿了自由的空間。

他看重人才，一方面要花大力氣招攬一流的年輕人加入團隊；另一方面要著重培養交叉學科的研究生。

與交叉學科發展的新相反，國內研究生培養大多依然依照傳統學科的路數在走。這種背景下，研究生體制設置、課程設置、博士點設置等，均與交叉學科有沖突。湯超看到了這一點，在北京大學的支持下，他決定整理總結多年積累的經驗使學生培養更上一層樓，并希望能夠為國內交叉學科人才的培養提供可借鑒的經驗。

“我們最近的招生剛剛結束，對此也頗有體會。國內在對于學生的培養上思路比較窄，如果是本科生，物理系的學生怕是很少能感覺到原來還可以去做生物問題；學生物的也很少會知道原來還可以學一些定量的課程去換一個角度來看生物問題。他們接觸到前沿學術思想的機會并不多，參與交叉學科的機會就更少，根本不知道還有那么一大片廣闊的天地等待著他們去發現。21世紀新生物學的出現，會推動整個社會對交叉型人才的大量需求。所以，培養學術交叉型人才，對學生本身來說是極具好處的，但是目前，絕大多數本科生并沒有這種意識。”

“本科時意識不到，報考研究生就會很盲目。比如一個學物理的學生，他可能只知道想要報考北大物理學院，具體想要跟哪位導師，恐怕并不熟悉，也不了解。而且好多地方的錄取制度是即時錄取，即時簽協議跟哪位導師。這樣一來，就有點‘盲婚啞嫁’的意味了。”

湯超當然不只是說說而已，在北京大學定量生物學中心，他就做了相應的改變。研究生進門頭一年不定導師，而是選擇三個導師實驗室輪轉的形式，通過接觸實驗室，跟隨導師做科研相互了解，一年后導師和學生之間再進行雙向選擇。而在課程設置上，以生物專業為例，他希望在開設數學物理等基礎課程時能選擇有生物學研究背景的教師來進行實例引導，這樣才能引起生物學專業學生對這些課程的重視，開拓學生的視野。定量生物學中心的課程設置便考慮到了這些因素，鑒于中心招收學生的專業背景并不相同，每個人的興趣點也不同，中心根據每個人的特點開展靈活的課程設置，因材施教，進行個性化教育。由于第一年并不定導師，他們也可以在一起經常討論，取長補短。“就是要想盡一切辦法，給他們提供更多機會，讓他們感受到學科發展的趨勢。”前文所提到的馬文喆博士就是這種改革的受惠者。他畢業于2007年7月，是該中心正式招收的第一批跨學科研究生之一。

日常教育之外，他所領導的北京大學定量生物學中心還會舉辦一些深入進行交叉學科研究的活動。2012年7月25-29日，中心就和美國加州大學舊金山分校的系統與合成生物學中心合作，成功舉辦了“PKU-UCSF系統與合成生物學團隊挑戰活動”。湯超希望，能夠在短時間內通過團隊內外大量的互動交流、頭腦風暴，高強度、深層次地挖掘、激發和培養學生自身在科研活動中的主動積極性與創造潛力。他認為，這樣的經驗，除了對中國學生身上，一些傳統教育方式帶來的習慣性被動思維方式產生了巨大震動和影響之外，對學生未來的職業生涯的影響也可謂深遠。

正因為如此，面對學生的就業憂慮，湯超并沒有大家想象的那般悲觀，“根據我的經驗，你只要安下心來去做你喜歡的事，并且做好，總是不乏機會的。”他一直在強調“喜歡”，認為“知之不如好之，好之不如樂之”，只有喜歡了才有可能做出優勢，如果僅是為了“混文憑”來找工作，不如不讀研，一來未必真能實現想要的結果，二來浪費了原本可以更加開心的數年青春。也許，在更多人看來，他的想法似乎不那么“現實”，他卻扎扎實實地踐行著，所謂“有意栽花花不發，無心插柳柳成蔭”，他用自己的真實在自由的風中書寫著純粹的“奮斗”篇。