一個(gè)信念：科學(xué)研究需要團(tuán)隊(duì)

尹穎堯

北京時(shí)間10月7日，2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier），其獲獎(jiǎng)原因：開發(fā)了一種基因組編輯方法。

詹妮弗·杜德納是美國加州大學(xué)伯克利分校的一名教授，也是美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱“伯克利實(shí)驗(yàn)室”）的一名生物化學(xué)科學(xué)家。這一天，她也成為伯克利實(shí)驗(yàn)室歷史上第十四位獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。

伯克利實(shí)驗(yàn)室位于加州大學(xué)伯克利分校的山丘上，占地1226英畝，約75個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大，景色怡人，俯視壯麗的舊金山灣。伯克利實(shí)驗(yàn)室是美國能源部主管的17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室之一，由加州大學(xué)代管，圍繞能源、生命系統(tǒng)、宇宙中的物質(zhì)和能量等進(jìn)行交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究，成績斐然。2012年，詹妮弗·杜德納教授和法國女科學(xué)家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文指出，細(xì)菌用以對(duì)抗病毒的CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以作為簡單、靈活的基因組編輯工具。通過它，科學(xué)家可以高效、精確地改變或替換植物、動(dòng)物（包括人類）的基因。現(xiàn)在，簡單、廉價(jià)和高效，CRISPR已成為全球最為流行的基因編輯技術(shù)，被稱為編輯基因的“魔剪”。

“科研團(tuán)隊(duì)（team science）”

自1931年8月誕生以來，伯克利實(shí)驗(yàn)室始終堅(jiān)守著一個(gè)信念：科學(xué)研究需要團(tuán)隊(duì)。

這一信念由實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人、物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence）提出。他是“科研團(tuán)隊(duì)（team science）”概念公認(rèn)的鼻祖。

1928年夏，27歲的勞倫斯離開耶魯大學(xué)，加入加州大學(xué)伯克利分校。任教期間，他發(fā)明了一種獨(dú)特的粒子加速器——回旋加速器，為科學(xué)界敲開了通往高能物理學(xué)的大門。勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，打響了伯克利實(shí)驗(yàn)室勇奪諾貝爾獎(jiǎng)的第一槍。除了在物理系授課，勞倫斯還受聘于化學(xué)系，這讓他接觸到不同領(lǐng)域的科學(xué)家和學(xué)生。勞倫斯慢慢發(fā)現(xiàn)并堅(jiān)信，科學(xué)研究最好由具有不同專業(yè)知識(shí)的人組成團(tuán)隊(duì)，共同完成。

1931 年夏建造完成的第一臺(tái)回旋加速器的加速腔，直徑為4.5 英寸（約11.43厘米），可以將氫離子加速至80000 電子伏特的能量。為了建造直徑27 英寸（約68.58厘米）加速腔的加速器，勞倫斯需要更大的實(shí)驗(yàn)室。同年8 月他從伯克利大學(xué)獲得了位于物理系附近一個(gè)閑置的建筑物。勞倫斯將其命名為“放射線實(shí)驗(yàn)室（Radiation Laboratory）”，并招募了一支由物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)家和學(xué)生組成的科研團(tuán)隊(duì)。后來，為了建造更大直徑加速腔的加速器，勞倫斯將實(shí)驗(yàn)室搬離了校園，搬到校園上方的山丘，即現(xiàn)在俯視舊金山灣的地方。1959年8月27日，剛過完57歲生日的勞倫斯去世了。之后，實(shí)驗(yàn)室正式以他的名字命名。

發(fā)明回旋加速器、參與原子彈研發(fā)、發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素周期表中第103號(hào)元素鐒……勞倫斯短暫的一生為科研作出了巨大貢獻(xiàn)，而“科研團(tuán)隊(duì)”這一概念也成了勞倫斯留給伯克利實(shí)驗(yàn)室最大的遺產(chǎn)，被一代代的科學(xué)家和學(xué)生傳承。詹妮弗·杜德納教授銘記這一概念，她與法國女科學(xué)家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶合作，成為第一支獲得諾貝爾獎(jiǎng)的女性研究團(tuán)隊(duì)。

35項(xiàng)大突破

“為世界提供科學(xué)方案（Bring Science Solutions to the world）”是伯克利實(shí)驗(yàn)室的口號(hào)。1931年以來，他們提供了諸多改變世界的伯克利實(shí)驗(yàn)室方案。從中，他們自評(píng)了35項(xiàng)大突破，現(xiàn)簡要列舉其中的10大突破。

確認(rèn)大爆炸，發(fā)現(xiàn)暗能量。伯克利實(shí)驗(yàn)室安裝在衛(wèi)星上的探測(cè)器，揭示了銀河系在大爆炸中誕生。實(shí)驗(yàn)室的超新星宇宙學(xué)計(jì)劃發(fā)現(xiàn)了暗能量——構(gòu)成宇宙四分之三并導(dǎo)致其加速擴(kuò)展的神秘物質(zhì)。

鎖定恐龍殺手。1980年，由伯克利實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家沃爾特·阿爾瓦雷斯（Walter Alvarez）領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：地球與一個(gè)小行星的碰撞，導(dǎo)致了恐龍的滅絕。

發(fā)現(xiàn)16個(gè)元素。如若沒有伯克利實(shí)驗(yàn)室的貢獻(xiàn)，元素周期表會(huì)變得小些。伯克利實(shí)驗(yàn)室在發(fā)現(xiàn)“锝”中功不可沒，這一發(fā)現(xiàn)徹底變革了醫(yī)學(xué)成像。實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了“镅”，如今它被廣泛運(yùn)用于煙霧探測(cè)器。

好壞膽固醇。膽固醇既好又壞，實(shí)驗(yàn)室的這一發(fā)現(xiàn)直接推動(dòng)了1960年代心臟病的治療及突破。

重寫乳腺癌病因。一項(xiàng)革命性理論發(fā)現(xiàn)：乳腺癌的病因與乳腺細(xì)胞微環(huán)境的崩潰有關(guān)。

制造最小的機(jī)器。世界上最小的合成電動(dòng)機(jī)在伯克利實(shí)驗(yàn)室誕生，它比人的頭發(fā)還要細(xì)。

最小生命體成像。伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家拍攝了超小型細(xì)菌的照片?？茖W(xué)界認(rèn)為，這樣的細(xì)菌是最小的生命體，15萬個(gè)這樣的細(xì)菌才能填滿一根人類頭發(fā)的尖尖。

最強(qiáng)顯微鏡。2008年伯克利實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了電子顯微鏡TEAM，讓我們有機(jī)會(huì)窺視原子的世界。這臺(tái)顯微鏡產(chǎn)生的分辨率為半埃，比單個(gè)氫原子的直徑還要小。

解釋光合作用。有沒有想過植物如何將陽光轉(zhuǎn)化為能量？伯克利實(shí)驗(yàn)室的梅爾文·卡爾文（Melvin Calvin）發(fā)現(xiàn)了答案。今天，這一發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家進(jìn)一步思考：如何從陽光中獲取可持續(xù)能源。

從微生物中擠出燃料。與美國能源部聯(lián)合生物能源研究所共同開發(fā)出可直接從生物質(zhì)能（biomass）中產(chǎn)生燃料的微生物。

10大科研方向

伯克利實(shí)驗(yàn)室擁有一支龐大的科研團(tuán)隊(duì)，每年實(shí)驗(yàn)室都碩果累累。

近年，他們展望未來，確定了伯克利實(shí)驗(yàn)室未來十大科研方向。

重構(gòu)地震建模。伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員正運(yùn)用超強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，創(chuàng)建全球首個(gè)端到端（end to end）仿真框架，實(shí)時(shí)捕捉地震的地質(zhì)、物理參數(shù)。

生物原子成像。低溫電子顯微鏡正在變革結(jié)構(gòu)生物學(xué)。目前，伯克利實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家正以接近原子的分辨率，獲得生物分子的成像。這將有助于藥物開發(fā)和醫(yī)學(xué)研究。

深入探索暗物質(zhì)。伯克利實(shí)驗(yàn)室正引領(lǐng)美國最敏感的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)旨在發(fā)現(xiàn)理論上存在的暗物質(zhì)粒子WIMP。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)將在位于南達(dá)科他州地下4580英尺的斯坦福地下研究設(shè)施中開展。

制造更好的電池。伯克利實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用同步加速器釋放出的X射線，開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，也能夠?qū)︿囯x子電池顆粒在充電和放電過程中的納米級(jí)變化進(jìn)行成像，以新視角認(rèn)識(shí)電池的工作原理。

提高農(nóng)作物產(chǎn)量。伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在模擬植物利用陽光的方法，以提高光合作用的效率，進(jìn)而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。他們與伊利諾伊大學(xué)的聯(lián)合研究表明，這項(xiàng)技術(shù)已現(xiàn)曙光。

清潔能源材料?？茖W(xué)家正在創(chuàng)造新型清潔能源納米材料，比如研發(fā)新催化劑，它可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料、溶劑和可再生原料的成分。

宇宙3D圖。伯克利實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的暗能量光譜儀（DESI）將更深入了解暗能量。通過接收數(shù)百萬個(gè)星系和其他天體的遠(yuǎn)古光，揭示它們遠(yuǎn)離地球的速度，并創(chuàng)建一個(gè)巨大的3D宇宙天體圖。

越來越小的電子。集成電路將繼續(xù)縮小尺寸，但終究受物理定律所限?？茖W(xué)家們毫無畏懼，他們使用能更好控制電子流動(dòng)的材料，制造出的晶體管Gate端只有1納米長，突破了物理學(xué)上的尺寸障礙。

自動(dòng)圖像識(shí)別。伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員正開發(fā)自動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)工具，以便從生物學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域的圖像中分類、檢索科學(xué)數(shù)據(jù)。該技術(shù)未來可能的應(yīng)用，包括從數(shù)以千計(jì)的健康細(xì)胞中快速識(shí)別癌細(xì)胞。

地下水銀行。能否將雨季的水儲(chǔ)存，以備干旱之需？

責(zé)任編輯：陳思