程和年：“頂天立地”科研人

馮神凡

“我們不能老在別人的‘地里種莊稼，我們要去開辟自己的天地。”如何把專利論文變成產(chǎn)品，如何把獨一無二的產(chǎn)品變成國家科技產(chǎn)業(yè)競爭重器，是程和平團隊正在思考、正在謀劃的事情。

程和平

北京大學分子醫(yī)學研究所鈣信號研究室主任、教授，中國科學院院士，長江學者特聘教授，“千人計劃”專家，中國生物物理學會副理事長，九三學社第十四屆中央委員會委員，2017年當選“九三楷模”

一個乍暖還寒的春日午后，伴隨著明媚的陽光和飛舞的楊柳絮，筆者走進北大，與國家“十三五”規(guī)劃中生命科學與醫(yī)學領域唯一獲批的“大設施”——多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像中心的首席科學家程和平院士暢談。程和平名頭很大，但架子很??；成就很大，但他講起的故事都很小。整個下午時光就在他的娓娓道來中飛逝而過。

九年三科“小白鼠”

與眾多科學家名校畢業(yè)之后潛心鉆研多年才開始出科技成果不同，程和平的“成就”自北大求學期間就開始了——他在北大獲得了雙學位。即使30年過去了，他的編號001的力學和生物學雙學位畢業(yè)證仍然保存完好?！拔疫@個雙學位啊，是老師們真喜歡我，就拿我當了小白鼠啦！”程和平開玩笑說。其實真正的原因，是來自一次偶然的際遇。

以力學開啟北大之旅的程和平，恰逢當年學校剛剛開放了跨系選課，他懷著對生物學的好奇報了生物系的生理學課。結(jié)果第一次考試，生物系的學生最高的只考了60多分，而力學系的程和平卻考了90多分。授課的陳守良先生大吃一驚，他意識到自己撿著了一塊“寶”，于是開始特別關(guān)注這個年輕人。

力學本科畢業(yè)后，程和平成為吳望一先生的碩士研究生，主攻生物力學。在吳教授的大力栽培下（說來有趣，吳教授本人也是數(shù)學和流體力學大家，之后轉(zhuǎn)型去做生物力學這個“邊緣學科”），程和平的碩士畢業(yè)論文就已經(jīng)非?！翱鐚W科”了。他對紅細胞的形態(tài)建模，用理論力學中的變分方程來驗證大自然的偉大和生物學的神奇：紅細胞凹透鏡式的結(jié)構(gòu)與理論預測的最佳氧氣交換的形態(tài)，相差不超過3%。

終于找到自己人生方向的程和平在攻讀碩士期間如饑似渴地補充了許多生物學知識，又在陳守良、賀慕嚴兩位老師的指導下，拿到了自己的生物學雙學位。由于成績優(yōu)異，老師們甚至主動為這個年輕人規(guī)劃未來的人生：從事生物醫(yī)學工程研究。

要想從事生物醫(yī)學工程研究，電子學知識必不可少。雖然在進行生物實驗的過程中，程和平就接觸到了電子學知識，但還遠遠不夠。陳守良和賀慕嚴夫婦二人就去登門請求無線電系系主任王楚先生，給程和平爭取了一個留校當助教的機會?！坝捎谏镝t(yī)學跟先進設備關(guān)聯(lián)度很高，我去那里可以往生物醫(yī)學工程方向努努力，也就過去了?，F(xiàn)在看來，這些知識還真是一點沒白學，后面全用上了！”

在無線電系做助教的程和平雖然是半路出家，但是卻發(fā)揮了他數(shù)學和物理方面的特長。他獨立完成了長達萬言的一個實驗大教案，還在王楚老師的指導下發(fā)表了兩篇論文。每次校審手稿后，王老師總是把自己的名字從作者名單中劃去?！斑@讓我肅然起敬”，程和平說。

在潛心做了兩年助教之后，一個很現(xiàn)實的問題擺在了程和平面前。

為愛遠行大浪漫

程和平是個非?？粗丶彝サ娜?。上世紀80年代末，他在北大求學期間，國內(nèi)赴美深造之風漸起，程和平卻不為所動。他說：“我一點兒都不想出國，因為北大的環(huán)境非常好，我的導師都是非常厲害的人。”程和平的夫人肖瑞平是醫(yī)學生物學背景，為了自己的事業(yè)，她不得不新婚三個月就遠赴美國波多黎各大學從事研究。這下程和平不“淡定”了，“沒啥好說的，我也去唄！”

沒考托福，沒考GRE，憑著北大9年的專業(yè)背景和當年波多黎各大學非常開放的招生政策，程和平硬是“先上車后買票”，直接成了波多黎各大學生理學及生物物理學系研究生?？刹坏揭荒辏と鹌接忠驗槭聵I(yè)升級的關(guān)系，去了馬里蘭州巴爾的摩城美國國立衛(wèi)生研究院老年所。程和平二話沒說，打算追隨夫人去馬里蘭大學醫(yī)學院生理系讀博。

想進馬里蘭大學醫(yī)學院并不容易。程和平想要報考的導師W，J，Lederer（下文簡稱L）是業(yè)內(nèi)知名學者，他本人當時根本就不招研究生，只有博士后才能進實驗室。得益于肖瑞平的力薦，L破天荒地把電話打給了還在波多黎各大學的程和平。

彼時的程和平英語還說不利落，但卻給L留下了很特別的印象。后來L談起這段經(jīng)歷時，對程和平笑著說：“別看你說話都結(jié)巴，但每句話都能切中要點?！敝笄『肔去波多黎各大學做學術(shù)交流，于是他便在校園內(nèi)對程和平面試了一番。

第三次面試則是在L的實驗室進行的。

L很坦率：“Peace（程和平的英文名），之前你說你物理也會，生物也會，無線電也會，叫我如何相信呢？”程和平打開手提箱，拿出厚厚一沓紙：“這是我的生物學論文和成果，這是我的無線電學論文和成果，這是我的力學論文……”看罷論文，L被當場征服了，他直接帶著程和平找到招生辦主任說：“這個人我要了！”

喜獲導師首肯的程和平卻先跟導師談起了條件：“L先生，在我成為你的研究生之前，我必須要搞明白你對一件事情的看法，那就是，我學成之后是肯定要回中國的，你會不會覺得培養(yǎng)我是浪費時間？”“不，如果你學成之后回國，開枝散葉，我只會以你為榮！”L坦蕩的胸襟打消了程和平最后的顧慮。

作為L先生當時唯一的研究生，程和平在馬里蘭大學醫(yī)學院期間深度參與了許多L的科研課題。但是程和平是個很有“個性”的學生，面對導師留給他的“電生理”作業(yè)，他不是很“上勁”，卻對實驗室角落里的一臺二手共聚焦顯微鏡產(chǎn)生了濃厚的興趣。

當時，共聚焦顯微鏡價格非常昂貴，即使在L的實驗室，也只有一臺二手貨。由于無人維護使用，整臺機器處于半報廢狀態(tài)。這時候，程和平的無線電學知識就派上了用場。1992年的圣誕節(jié)期間，程和平與回實驗室作學術(shù)度假的師兄一起，在實驗室泡了整整一周，愣是自己改電路，校調(diào)光路，把這臺機器給重新調(diào)試成功了。

這還不算完，為了完美地觀測到心肌細胞的活動，他們又自己設計加裝了讓觀測信號與拍照信號同步的裝置，還把整臺機器的“眼睛”——光電探測器——升級到當時最好的版本，并采用了當時最先進的FLUO-3探針。談到調(diào)校設備，程和平非常自豪：“當年我拍的圖像你去看看，跟最新的顯微鏡拍出來的效果差得都不多！”就是用這臺改造的二手共聚焦顯微鏡，師徒三人觀測到了心肌細胞中鈣離子釋放的最小單位，并將其命名為“鈣火花”（Calcium Spark）。

“鈣火花的生日是1993年1月12日，當時我們?nèi)艘黄鹣朊郑詈蟠蠹壹w決定用這個名字！SD ark！多浪漫！”談到這個名字，他開心得像個剛買了恐龍模型的小男孩，“可惜中文沒完全翻譯出那個韻味?！?/p>

然而，鈣火花的論文在投給《Nature》后，卻被無情地拒絕了，“連送審那一步都沒到?！备耐丁禨cience》的過程也異常艱辛，幾個月的時間里，在被修改了47遍后，論文才登上雜志。幾年后，《Nature》也發(fā)表了他的另一篇有關(guān)鈣火花的文章。

在程和平的科研歷程中，鈣火花的發(fā)現(xiàn)是一個里程碑事件。馬里蘭大學甚至將這一事件做成銘牌，鑲在發(fā)現(xiàn)鈣火花的實驗室墻上。他發(fā)表的有關(guān)鈣火花的論文，在整個心肌學100多年的歷史上排進了前十，足見其含金量之高。由鈣火花概念又衍生出了一系列的多達20個鈣火花家族成員，其中近半由程和平參與研究。

也許是因為這一發(fā)現(xiàn)實在有點超前與出人意料，直到1997年程和平去貝勒醫(yī)學院講學時，還有學者私下問他：“你這東西是真的嗎？”質(zhì)疑聲不但來自外部，還來自內(nèi)部。程和平在L實驗室的一位博士后師兄在鈣火花論文發(fā)表一段時間后，突然拿著厚厚一摞實驗數(shù)據(jù)找到L：“鈣火花是假象，我用雙光子顯微鏡都看不到！你們應該把論文給撤了！”

雙光子顯微鏡是當年全世界最先進的光學斷層掃描設備，也是共聚焦顯微鏡的下一代產(chǎn)品。在L的實驗室用老設備發(fā)現(xiàn)鈣火花現(xiàn)象之前，程和平就曾奔赴紐約康奈爾大學，用世界上第二臺（第一臺為原型試驗機，也在該大學里）也是當時唯一的一臺用于生物學實驗的雙光子顯微鏡實現(xiàn)過心肌細胞線粒體成像，可是如今卻遭到了身邊人的質(zhì)疑。

程和平并沒有多想，“這是非常健康的學術(shù)質(zhì)疑。”他仔細檢查了師兄的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)師兄并沒有采用合適的探針和實驗條件來觀測。為了打消更多的質(zhì)疑，也為了讓更多的同行能從鈣火花成果中受益，程和平?jīng)Q定設計出一套從圖像中自動探測鈣火花的算法，以擺脫人工觀測的主觀性。因為只要把可重復性做好，實驗結(jié)果可信度自然會高。

但是要創(chuàng)造出這樣的算法，不僅需要知識的積累，也需要機緣。程和平是在跟夫人一起去聽交響樂的時候，突然來了靈感?！爱敃r音樂會聽到一半，我突然來感覺了，我就走出音樂廳，在一邊構(gòu)思，等到音樂會結(jié)束時，這個算法基本已經(jīng)在我腦子里成型了。后來《BiophysicalJournal》在發(fā)表論文的時候還專門把整段代碼都附上了，這可是很少見的事。”談到這個算法，他頗為得意：“我的一位美國同事聽到一點風聲后打電話來問，是不是人工識別后自動測量。我回答是識別測量全自動，他沉默了半天才說，‘怎么可能呢！”在圖像處理軟件部分，學過C++的他一開始準備自己寫，寫了兩個月后覺得工程量太大，找來找去找到了NASA（美國宇航局）用于圖像處理的商業(yè)軟件。時至今日，這套成像軟件依然是鈣火花領域研究者的標配。

學成報國有擔當

1998年，當生物膜國家實驗室遇到發(fā)展困境的時候，時任實驗室輪值領導人的北大教授吳才宏找到了程和平：“北大有困難啊，這實驗室是動物所、北大、清華三家輪流坐莊，我們已經(jīng)遇到一次黃牌警告了，再有一次，這個實驗室就要解散了，我可不能當這個末代皇帝！”程和平二話不說，從此開始了往返中美的“洲際飛人”生活。時間長了，吳教授對程和平坦言：“干脆你就回來建個實驗室吧，繼續(xù)你在美國的研究?！背毯推胶軐嵲冢骸皡抢蠋?，我不光燒錢，我?guī)С鰜淼膶W生也都燒錢，你一年給我?guī)装偃f，我最后可能只能給你幾個Papers（論文）！”吳老師也不含糊：“搞科研哪有不燒錢的！但真正的突破還是要靠基礎研究！”

說干就干，就在同年，未名湖畔的一棟小樓里建起了實驗室，幾百萬的設備說到位就到位，北大的信任和魄力也深深打動了程和平。久居海外的游子對故國的眷戀之情也愈加濃烈，2003年，他終于下定了決心：“我要回國！”

程和平在回國前最擔心的并不是自己的待遇，而是國內(nèi)能否有像海外那樣成熟的科研軟硬件環(huán)境。時任九三學社中央主席、全國人大副委員長的韓啟德在了解到他的困難之后，親自幫他在國內(nèi)聯(lián)系各部委去拜訪，幫著理順各個環(huán)節(jié)以成立北大分子醫(yī)學研究所。

次年，審批下來了：2005年，經(jīng)費也到位了。就在這時，美國NI H（美國國立衛(wèi)生研究院）也給了程和平一份沉甸甸的大禮：終身職位?！斑@個終身職位含金量還是非常高的，要有20位同行專家推薦信，下面20多個院長一起投票。待遇當然不用說，年薪人民幣百萬吧，在學術(shù)界地位也很高。”但在2006年初，程和平還是毫不猶豫地辭去了該職位，回國發(fā)展。

回到北大之后，分子醫(yī)學所的籌建工作卻并不如預想的那樣順利。在各項事業(yè)遭遇嚴重困難時，程和平的美國原上司在電子郵件里對他表示，只要他回去，就立即恢復他的終身職位。經(jīng)過激烈的思想斗爭后，程和平態(tài)度堅決地回復：“我不能把船開到一半就扔下不管了?！?/p>

“我回國之前就做好了三套打算。如果回來有足夠的經(jīng)費，我就培養(yǎng)一批人才，讓他們跟我一起做實驗研究；如果經(jīng)費有限，我就致力于計算，一支筆一臺計算機搞些理論研究：如果我們真的連計算機都買不起了，那我就去教書！反正不管怎樣，我相信我總能發(fā)揮作用！”抱著這樣的心態(tài)，再沒有什么困難能難倒他。

見微知著舉世驚

2012年，國家開始在基礎科學高端裝備自主研制方面加大投入。2014年，程和平接到了國家任務：把雙光子顯微鏡微型化，用于腦科學領域當下急需的對自由運動的動物實時觀測神經(jīng)元集群的活動。

雙光子顯微鏡并不是什么新鮮事物，早在1990年就已面世。它體型龐大，有幾百公斤重。如何把這么大這么重的儀器的核心成像元件縮微到指甲大小，讓體重30多克的實驗小白鼠能夠“帶著跑”，同時還能看得見神經(jīng)元，看得見細胞里面的“鈣火花”，才是任務的困難所在。

時至今日，對于當年在審批計劃答辯時與國家自然科學基金委主任的對話，程和平仍然記憶猶新?！爸魅螁栁遥阋倪@個錢能買400多輛小汽車，你能交給我什么？我說，我只能給你一個15克的東西，沒準還更輕。”說時容易做時難，這種國家級的項目“只許成功，不許失敗”。程和平要做的事，之前已有許多頂級高手嘗試過，但都沒做成，就連專攻顯微成像的專家都覺得不可能。

2015年，程和平與同事去斯坦福大學交流，拜訪國際上單光子顯微鏡微型化最成功的科學家。對方非常不看好這個項目的前景：“Peace，你做不出15克的，做到150克也許還有希望?！?/p>

但是程和平相信自己組建的跨學科團隊，相信團隊設計的技術(shù)路徑。經(jīng)過不斷探索，不斷學習，2016年，微型雙光子顯微鏡問世了。顯微鏡成品只有2.2克，小白鼠可以輕松地戴著自由行走，得到的實驗數(shù)據(jù)也非常理想。2016年年底國際學術(shù)交流時，那位質(zhì)疑程和平的科學家看到了相關(guān)報告的海報，大吃一驚，馬上把自己整個團隊還有他的公司成員都叫來看他們的海報。

“2.2克”一經(jīng)問世就引起了轟動。2014年諾貝爾獎得主，研究“大腦GPS”的科學家的團隊聞訊直接找到課題組尋求合作。一開始這位科學家派來了他的助手和學生來北大做實驗，兩個人拿到實驗結(jié)果，當場就興奮得跳了起來，趕忙把數(shù)據(jù)發(fā)回給他，他看了之后卻因為“數(shù)據(jù)太完美了”而心存疑竇，直到一個月后親自跑了一趟才心悅誠服。目前，已經(jīng)在他挪威的實驗室獲得了一批好數(shù)據(jù)并提交了一個會議摘要。美國腦計劃共同主席接受《光明日報》采訪，被問及“您覺得中美在腦科學領域有哪些互補之處”時，第一個提到的就是這個2.2克的雙光子顯微鏡。

“頂天立地”向未來

寫出了學科前十的論文，做出了世界頂尖的設備，但程和平最引以為傲的成果卻不是這些，而是他的團隊。“我這團隊里的40來人，都是我親自挑的，多位同學都是在國際機器人大賽中得過金牌的，他們跟著我們團隊干這五年（科研項目的周期一般為五年），我敢說，出去以后，到處都會搶著要他們。”

今年春游，程和平給團隊中的每位同學各發(fā)300塊錢，要他們?？顚Ｓ?，去國家大劇院看戲聽音樂。在程和平看來，沒去過大劇院是一種損失，音樂和藝術(shù)能給他們帶來更多的啟發(fā)。

“我們跟蹤的、修橋補路的工作做得太多了。人家國外搞出來一個新概念，我們就跟著做成果，我們寫的論文越多，人家得大獎越快！我覺得科研發(fā)展分為三個境界，從論文數(shù)量，到論文質(zhì)量，最后再到能否開辟一個新領域。我們不能老在別人的‘地里種莊稼，我們要去開辟自己的天地。我和同事們常以此互勉?！?/p>

程和平眼中的“地”已經(jīng)不再局限于具體的科學成果了，他想得更多、更遠。我國“十三五”規(guī)劃中有十大科技設施，每個造價都上了十位數(shù)，程和平作為首席科學家領銜設計的“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像中心”就位列其中。這是我國生命科學和醫(yī)學領域的唯一入選項目，初步選址在懷柔，光是硬件與基建造價就近18億。

大設施是國之重器。在程和平看來，參與大設施建設很光榮，但同時他也深感責任重大。“以前我們國家沒有投入這么大財力、人力與雄心的重器，儀器創(chuàng)制能力極為薄弱，別人不怎么關(guān)注，現(xiàn)在全世界的同行都在看我們?！背毯推降膱F隊在海外交流時，美國一所名列世界TOP10的學校就對他們表達了羨慕之情。這所學校也有一個相似的計劃，但卻因為經(jīng)濟危機而擱淺了。

“九三學社是我娘家，王選是我的偶像，我剛回國就買他的書看。他說搞科研就要‘頂天立地，最后他搞出了一個領域，而且形成了產(chǎn)業(yè)。”如何把專利論文變成產(chǎn)品，如何把獨一無二的產(chǎn)品變成國家科技產(chǎn)業(yè)競爭重器，是程和平團隊正在思考、正在謀劃的事情?！拔覀兊臅r間表就在實驗室門口掛著，到目前為止我們都在按照計劃走，再給我五年，希望咱們能有精彩的故事！”

責任編輯：馬莉莎