院士風采 | 湯超：有“品味”的交叉學科探索者
?攝影：王天天
撰文 | 王巖（北京大學新聞網）
編輯 | 山石 凌薇（北京大學新聞網）
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“什么是生命的數(shù)學語言？什么是生命的物理？”在2019年11月舉行的CUSPEA（中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生計劃）40周年大會閉幕式上，湯超在發(fā)言結尾拋出幾個引人深思的看似“無解”的問題。這是生命科學領域最前沿的問題之一，也是湯超從事交叉學科研究以來探索的主要方向。
湯超在統(tǒng)計物理、凝聚態(tài)物理、非線性科學、復雜系統(tǒng)、物理生物學、系統(tǒng)生物學等領域做了許多開創(chuàng)性工作，其中有不少已被寫入教科書。他以獨特的“科學品味”，致力于用物理學思想方法研究生物問題，探索生命系統(tǒng)中的定量規(guī)律和設計原理。
一位物理學家的生命科學探索之路
中學時，湯超最喜歡物理，進中科大物理系是他的夢想。但高考那年中科大和北大的物理系在江西都不招生，湯超進入了力學系。出于對物理的熱愛，大學時他自學了不少物理，并常去旁聽物理系的課。
上世紀80年代，李政道發(fā)起CUSPEA項目，圓了湯超的“物理夢”。該計劃由中美雙方聯(lián)合通過專門的招生途徑，每年選送百名左右國內大學生，赴美攻讀博士學位。湯超作為考取CUSPEA項目的首批留學生來到美國，在芝加哥大學攻讀統(tǒng)計物理學。
湯超的導師、統(tǒng)計物理大師卡達諾夫對他影響頗深?！敖洺Ｊ橇闹闹?，研究方向就有了?！敝ゴ蟮哪欠N討論式的科研和教學氛圍、超越學科界限注重科學問題的思維方式、認真嚴謹深入的研究作風，不僅為湯超打下了扎實的物理學基礎，也培養(yǎng)了他敏銳的“科學嗅覺”和思辨能力，形成了他日后的學術風格。
很快，在布魯克海文國家實驗室做博士后的湯超就在自組織臨界性問題——一個自己在研究生階段就十分感興趣的方向上——做出了出色的成果，在學界引起了很大反響。
1991年，湯超任職于NEC普林斯頓研究所。這里沒有研究限制，有的是充分的自由和空間。利用這個機會，湯超開始探索新的領域。他敏銳地感覺到大自然中最復雜的生命現(xiàn)象可以提供新的“素材”。湯超開始接觸生物學問題，“覺得特別好玩兒”。
在他看來，生命科學有很多有待探索的領域，但是有點“摸不著頭腦”。于是，他開始參加各類的組會、看生物文獻，度過了“苦樂參半”的半年，樂在享受探索的過程，但苦于“找不到研究題目”。
真正的轉折發(fā)生在一次關于蛋白質折疊的學術報告會上，主講人是斯坦福大學一位研究超導物理的教授。他的研究方向從物理轉向生物?！盎砣婚_朗，”湯超意識到，“是不是可以用統(tǒng)計物理方法來研究蛋白質折疊問題呢？”自己在生命科學領域的第一個選題就這樣不經意間找到了——這個問題也引導湯超日后提出新的概念，即蛋白質結構可設計性概念。
“生命現(xiàn)象是一片肥沃的土壤，可以催生新的物理、數(shù)學、計算機科學等。”蛋白質折疊的研究開啟了湯超交叉學科研究的航程。他嘗試著用物理學的思維和方法解決更多生命科學領域的問題，此后“一發(fā)不可收拾”。
“是我能為國家科研發(fā)展出力的時候了”
2005年起，湯超在加州大學舊金山分校（UCSF）任教。這里既有最優(yōu)秀的生物學家，也能接觸到最前沿的生物學課題。湯超參與到招聘、科研、教學、管理等各方面的工作，幫助UCSF建立系統(tǒng)生物學研究方向。
六年后，事業(yè)順風順水的湯超決定回國。當時，中國的交叉學科無論從理念上，還是科研環(huán)境上都和國外有不小差距。“改革開放、出國留學改變了我的人生軌跡，也改變了整個國家的命運。現(xiàn)在，是我能為推動國家科研發(fā)展出力的時候了?！?/p>
在湯超看來，國內形勢已經發(fā)生了很大變化，國民經濟、國家實力和國家科研投入都比以前增強了很多。其實，90年代開始，湯超就經常往返于美國和國內，到一些高校和科研院所講課，參加學術會議。
1999年，湯超受李政道委托開始籌建定量生物學中心的前身——理論生物學中心。最初每年回來兩三個月，直到2011年，他舉家回國?；貒笏殦味可飳W中心主任和北大-清華生命科學聯(lián)合中心（北大）學術委員會主任。
?2002年，李政道與理論生物學中心部分成員合影（右三為湯超）
“今天的生物學中，原理、公式、數(shù)學方程多了，但是將來更可能會出現(xiàn)新的‘生命的數(shù)學語言’，新的‘生命的物理’。如果堅持打破學科界限來研究生命現(xiàn)象，影響將是巨大的。”
湯超帶領團隊，利用北京大學的多學科優(yōu)勢，集中數(shù)學、物理、化學、工學、生物和信息科學的研究力量，開展并推動定量系統(tǒng)生物學研究取得一系列進展。
湯超課題組把非線性動力學概念用在生物調控網絡上，提出了生物系統(tǒng)魯棒性的理論解釋，并為細胞周期、細胞命運決定、干細胞重編程等生物問題提供了新的定量的視角。他們還用統(tǒng)計物理的思想方法研究生物網絡拓撲結構和功能的關系，找出了其中具有普適性的設計原理。
?湯超在學術會議上作報告
理論生物學中心的發(fā)展得到了各界的肯定和贊譽，不僅被評為第一批教育部創(chuàng)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(chuàng)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。
“兩個小孩一個初中一個高中，回國對他倆來說犧牲很大，但他們還是跟我回來了?！薄捌拮映擞X得北京的空氣有些差以外，沒有其他怨言了?！奔胰说闹С指寽硇耐渡碛趪鴥冉徊鎸W科的建設。
培養(yǎng)有“科學品味”的交叉學科人才
湯超把導師卡達諾夫既自由寬松又嚴謹深入的培養(yǎng)理念“復制”到定量生物學中心和北大-清華生命科學聯(lián)合中心的學生培養(yǎng)、科研人才管理與招生等各個方面。
他多次用“科學品味”形容對學生的要求。“科學品味是對科學問題的敏感性，知道如何提出一個好的科學問題?！痹谒磥恚杂蓪捤傻姆諊€有助于孕育思辨精神、對科研的熱情，這些與知識技能同等重要。
“每周固定討論一篇別人的文章，大家一起評價這個研究做得對不對，解決了哪些問題，有沒有意思，這些都是提高科研品味的過程?！?/p>
?湯超與全職回國后培養(yǎng)的第一批博士生合影
兩個研究中心為創(chuàng)新型跨學科人才成長提供了“寬松優(yōu)質的土壤”。不去計較文章發(fā)表，采取五年一次的評估制。在湯超看來，這樣的制度可以讓大家靜下心來思考一些長遠的、有意義的工作。
沒有專業(yè)限定，沒有年齡限制，也沒有考試……生命科學聯(lián)合中心看似“自由放任”的招生模式實則嚴格苛刻。沒有專業(yè)限定，是希望將學生招收背景擴大到生命科學之外；沒有年齡限制，不局限于應屆本科生，更利于發(fā)現(xiàn)更多有經驗的人才；沒有考試，則意味著新的評價模式——學生由很多PI面試，需要回答涉及面極廣的問題——這樣對學生素質有更準確的了解和把控?！跋Ｍ褜W生從考試中解放出來，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力?！?/p>
這幾年，擔任前沿交叉學科研究院執(zhí)行院長的湯超，更是將自己的理念擴展到更廣的領域。研究院10個中心涵蓋數(shù)學、物理學、化學、生物學、醫(yī)學、工學等學科的眾多交叉研究領域，聚集了一大批學科帶頭人和年輕學術骨干，在開展各項前沿問題研究與科學技術攻關方面取得一系列重大研究進展。
研究院各中心每年均有大量研究成果發(fā)表在各類學術期刊。各中心先后承擔“863計劃”“973計劃”“國家自然基金”“國家重大科技專項課題”等數(shù)百項國家級、省部級科研項目，獲得多項國家自然科學獎和國家技術發(fā)明獎。
?湯超與學生
“實現(xiàn)真正的學科交叉要做的事情還很多?！睖奶剿髦窂奈赐Ｐ跋Ｍ幸惶煳覀兊膶W科概念更加淡化，各個學科徹底打通，溝通更加通暢，甚至不需要設立交叉學院這樣的機構?！?/p>
到那時，“什么是生命的數(shù)學語言”“什么是生命的物理”或許就“不是問題”了。
人物簡介：
湯超，北京大學物理學院講席教授，前沿交叉學科研究院執(zhí)行院長，定量生物學中心主任，北大-清華生命科學聯(lián)合中心（北大）學術委員會主任。湯超教授在統(tǒng)計物理、非線性科學、復雜系統(tǒng)、物理生物學等領域開展了許多開創(chuàng)性工作，近年來著力用物理學思想及方法研究生物問題，探索生命系統(tǒng)中的定量規(guī)律和設計原理。2019年11月22日，當選為中國科學院數(shù)學物理學部院士。
注：本文轉載自北京大學新聞網BMC。
