這些中國青年科學家，不再將發表幾篇“CNS文章”作爲目標了
10.23知識分子The Intellectual
科學探索獎2024年頒獎典禮現場
“從今天開始，你們將踏上科研生涯新的征程，不願再去追逐已有的熱點，也不想將發表幾篇CNS文章作爲目標了。號角已經吹響，奔向未來，去開創新的科學天地吧！”
這是中國科學院院士王志珍在頒獎禮上對新一屆49位科學探索獎得主的寄語，因爲在他們的心裡，充滿着真正要做的“大事”、“有趣的事”、“重要的事”。
王志珍院士爲頒獎典禮致辭
最年輕的“科學探索獎”獲獎人、出生於1992年的浙江大學教授馮建東的夢想是：有一天可以對單分子到單細胞進行定量描述，在微觀的極致探索並理解生命過程。
合成生物學家閆建斌想要“憑空”再造地球上最古老的樹種紅豆杉的提取物紫杉醇，因爲它是抗癌神藥。
清華大學的教授周樹雲是數學物理學領域獲獎人，她希望能在萬億分之一秒的時間尺度上，用光來調控決定材料的物理特性的電子能帶結構，以改造它的“基因”，實現更高速度的器件。
先進製造領域獲獎人、中國科學院瀋陽自動化研究所研究員劉連慶則想要證明，“有血有肉的機器人”不是隻存在於科幻小說。
從電子、分子、蛋白質到類生命機器人，這批年輕的科學探索獎的獲獎者們想用自己的勇氣、智慧與決心發現這個複雜世界的秘密。
海拔四千多米的吉隆，走在西藏與尼泊爾邊境線上，一小撮人鑽進繁茂的原始森林裡，探尋恐龍時代的遺珠。車上的氧氣罐“咣噹咣噹”響個不停，高原反應暈得人吃不下飯，隊伍都沒精打采的。突然走在前面的人大喊，“發現紅豆杉了！”大家興奮地一窩蜂擁上去。
10月的初秋，紅色漿果在陽光下發光。八九株的自然聚落，頭頂的高大喬木替它掠去了光影，樹葉細小而密集，樹皮光滑泛着紅棕。伴着溪流的水聲，空氣潮溼而清新。這片人跡罕至的地方孕育着生命的傳奇。即便做了十多年研究，那一刻閆建斌依然感受到了深深的敬畏與震撼。
中國農業科學院深圳農業基因組研究所的研究員閆建斌對它250萬年的光陰如數家珍：它既是生活的慶典，人類歷史上第一棵聖誕樹由它扮演；也是永恆的象徵，當它生長至兩三千年時，樹幹中間有時還會變成空心，中間再生長出小樹苗，猶如鳳凰涅槃。它既擁有毒性，曾無數次的帶來死亡，又在90年代搖身一變成爲全球銷量最大的廣譜癌症化療藥物。
在談癌色變的年代，人們瘋狂剝下它的樹皮，尋找一種叫做紫杉醇的抗癌藥；當大片的紅豆杉死亡後，人們又開始剪它的枝葉，獲得紫杉醇前體（巴卡亭III等）進行工業化半合成，維繫人類的生命。
可惜的是，這種古老的神樹長得實在太慢了：一年僅2-3釐米，更不要說約萬分之三的提取率。對於一個成年卵巢癌患者，僅治療一個週期，就需要30～50棵20年樹齡的紅豆杉樹。
三十年來，科學家們苦心想要找出一條步驟精簡、高效便捷、價格低廉的生物全合成之路，但都被這個“怪獸級分子”攔住——兩個六元環、一個八元環和一個四元環，這種複雜多環結構使得紫杉醇的分子結構非常獨特和複雜。爲了得到這個分子，需要經過高達二十步的酶促反應，而且一半都是複雜的細胞色素酶P450。這類酶結構和活性非常複雜，在自然界中有20萬種。閆建斌要在20萬個分子裡面像大海撈針一樣把它給撈出來。更不要說，紅豆杉10G的超大基因組“地圖”，是人類基因組的3.4倍。
明星抗癌藥紫杉醇堪比黃金，有藥難及曾是閆建斌親眼目睹的現實。帶領他在南京大學進行碩士研究學習的導師早在2013年因爲癌症去世，離開的時候才44歲。他是導師帶的第一屆學生，實驗導師手把手地教，一步步盼着他成長成才，相互間有很深的感情。
從博士後開始，閆建斌心裡一直裝着造“黃金”的事。從東北邊境、西藏尼泊爾邊境再到雲南緬甸交界處，就像紅豆杉生長的地方一樣，他需要穿越無人之境。自然界沒有告訴我們的，由他來回答。
馮建東一直記得二十年前在中學化學課上第一次看到構成萬物的分子模型時的震撼，“爲什麼我不能直接用肉眼看到這些單個的分子，爲什麼我不可以左手抓一個分子、右手抓一個分子去做實驗？”
光鑷、磁鑷、超分辨熒光顯微鏡、原子力顯微鏡……單分子技術工具豐富多樣，不乏摘得諾獎的成果，但時至今日，他所暢想操控單分子做反應的思想實驗也沒有真正實現。
跨過化學本科、物理學博士、生物工程博士後的各個階段，進入交叉學科的馮建東要爲少時的自己尋找一份答案。
讓單分子穿過納米孔，從單孔離子電流擾動中獲取分子信息，是馮建東開啓單分子研究的第一步。納米孔的結構尺寸是影響測量分辨率的決定性因素。他發展了單層納米孔的化學制造策略，讓納米孔具有極致的亞納米厚度和孔徑，從而具有極高靈敏度的單分子測量能力。
而進行到給單分子拍照的一步，受制於單分子光學信號的微弱，分子的動態過程和位置隨機，追蹤和控制難，傳統上單分子光學成像是使用激光的熒光來實現的。馮建東爲其打造了一套新型化學成像系統：用化學發光來取代熒光來進行單分子成像。但是如何測到單分子的化學發光反應呢？他提出一種單分子時空隔離測量策略：一邊通過稀釋溶液中的分子濃度實現空間隔離，一邊讓高速相機進行分子狀態的時間隔離，再輔以施加電壓控制化學發光反應的進行。
就這樣，化學發光第一次實現了單分子成像。更重要的是，化學發光不需要熒光成像的光激發，沒有背景的全黑環境下成像，靈敏度無可比擬。
2019年的夏夜，他獲得了一張屬於自己的“星空”，一個個時空孤立的單分子反應產生的發光信號。“那天晚上我走出實驗室，擡頭看到天上有非常多的星星，那些發光的分子就像滿天閃爍的繁星”，馮建東回憶道。
一位化學家和生物學家可以和分子打交道的方式有哪些？“測量它、看到它、操控它”，這是馮建東的答案，“當然，我們想爲化學家和生物學家提供手段，打通這些功能，操控分子”。這裡隨處充滿了未解的科學問題。單分子蛋白測序、單分子多維成像到精密操控，一切都需要新的、更強大的實驗工具。
2021年，馮建東的研究登上《自然》雜誌封面
物理學家也有同樣的野心，但她想操控的是電子。周樹雲的工具是光，是萬億分之一秒脈衝寬度的週期勢場，是每釐米10的八次方伏的脈衝激光。
獲獎人周樹雲分享
固體物理第一課告訴我們：電子在動量空間中具有周期性。如果改變這些電子在時空中的排列，我們得以調控這些材料。晶格中特定的電子能量-動量關係展現出特定的物性，絕緣體、超導體、半導體、磁體……它們中的一些被挑選出來發展成高速器件，託舉人類文明邁向璀璨篇章。而主宰這璀璨發展幾十年的“摩爾定律”即將走到尾聲——單純依靠縮小晶體管尺寸的做法，不僅受到工藝成本的限制，還將帶來棘手的功耗和散熱問題。
原子的振動、電子和電子的碰撞、電子繞原子核的運動，發生在萬億分之一秒。科學家們決定在時間的縫隙中尋找新的答案。在固有的時空週期之外，給電子施加一個新的時間週期勢場，電子的能帶會不會以我們所期待的方式重構？它會進行怎樣的散射、複製和相互作用？這被稱之爲超快動力學。
不是所有的電子都有幸參與，材料必須非常乾淨，電子和和電子間的碰撞要儘可能的少。也不是任意強度的週期光場都可以，起碼要跟電子在材料內部所感受到的場，強度差不多，量級可比擬。只有這樣物態才能從平衡轉向非平衡，我們才能夠操控電子以我們所想要的方式。
周樹雲用了5年來搭建探測固體材料能帶結構的電子能譜儀，並用了另一個5年研製了具有國際先進技術指標的脈衝激光光源，並將其與角分辨電子能譜儀結合。而就在前不久，她纔剛剛在半導體材料黑磷中實現能帶結構的瞬時調控。
“科學是非常非常美妙的，我們有幸比別人更早一點窺探到自然的秘密。雖然它也許只是一個很小的秘密，但是我覺得這份滿足感值得我們這麼多年的努力。在時間和能量的維度來調控材料的物理性質，這是我夢寐以求的。”周樹雲說道。
這些科學家探索世界的野心並不會因爲他們的科學家身份就天然就更靠近答案，他們同樣是僱員、競技者和年輕人。
閆建斌的博士後導師麻省理工學院教授Gregory Stephanopoulos在他啓程回中國前，告訴他，“我這個課題一輩子，這個東西太難了。我也瞭解中國的tenure-track，在五六年之內很難做不出來很重要的科學成果，你後面的發展太受限了”。閆建斌理解導師的好意，但這個來自黃土高原的青年人依舊想要嘗試挑戰性的問題。“總要有人去突破，也不能老揀簡單的去做，再加上我自己也真的感興趣”，閆建斌說道。
他的底氣也來自博士期間突破茉莉素受體的世紀難題所建立的學術信心。“不要怕，踏實往前做”，他一直這樣告訴自己。
閆建斌帶着清晰的 “三步走”方案回到了國內：第一步獲得基因組圖譜，第二步找到關鍵的中間產物，第三步在獲取的底物和產物間，篩選關鍵酶。在清華大學裡從紅豆杉細胞培養、代謝調控的“冷板凳”坐起，五年之後南下深圳，來到中國農業科學院深圳農業基因組研究所，他才獲得一個構建完整基因組圖譜的機會。
閆建斌在實驗室
母親擔心他，他反過來安慰：“咱家的土豆擦擦、餃子和煎餅，特別好吃，我跟你學了之後，再不濟我來深圳這邊開飯館，養活自己肯定不愁。”
周樹雲的週期光場調控常常被朋友稱作“科幻”，“這個東西這麼好，爲什麼沒有實現呢？”理論預言早在百年前就存在，具體到固體材料是過去二十年的事，但實驗方面的進展則屈指可數，電子的社會學遠比人們想象的更復雜。
2012年周樹雲回到清華大學物理系之後，從零開始開始搭建中紅外強場脈衝光源，光子能量、峰值場強、光的偏振這些重要的參數沒有哪個理論家告訴她們真正的區間，只有不斷摸索，結合自己的物理直覺做出判斷。她花了十年才真正做到週期光場調控，而前五年對二維材料及異質結的研究積累也爲此奠定了重要的基礎。
周樹雲在實驗中。圖片來源：清華大學新聞網
劉連慶提到了一位學術前輩曾對他說：“不要再只專注紙面上寫文章了，寫文章是爲了證明你有創新思維和有較好的科研素質，你已經寫了這麼多文章，拿過了這麼多榮譽……咱們在工科領域，現在更要想想，自己的研究能真正爲國家的需求做出多大貢獻？”
探索“有血有肉”的機器人能“頂天”，爲了研究這些機器人所發展出的技術則能“立地”。除了繼續深入研究生命-機電系統融合的類生命機器人外，劉連慶將爲了構建類生命機器人所發展的微納檢測、微納操控技術與大國重器的製造相結合，“我也不希望到最後只發了一些文章，在科學進展裡面好像有個名字，對於現實世界沒有那麼大的貢獻。我希望能把兩個結合起來，這很難，但這是夢想”，劉連慶說道。
2018年馮建東來到浙江大學化學系組建實驗室時，他也在尋找理想和現實的平衡。他決定在理想一側加一加砝碼，“我覺得可能要有心理準備，接受“做事是有一定失敗的概率”，並且能夠接受這種失敗的概率，那剩下的只剩勇敢堅定地去做”。建組前3年不發研究論文，同時用6年時間傾注最多的資源到仍未產出的全新方向，都是他願爲理想增加的砝碼。
“科學工作讓我有兩個開心的時刻，一個是發現新的科學問題，還有一個是解決了一個問題，從發現問題到解決問題所帶來的豁然，可能要超過發表成果和獲得其他東西的快樂”，這是馮建東繼續他單分子思想實驗的動力。
爲了這份野心，需要蟄伏多久？三年、五年、十年還是更久……儘管時間不一，但都有相同的問題要面對。
最初來到中國農業科學院深圳農業基因組研究所時，閆建斌只有30平的實驗室。設備、經費、人手統統沒有。他花了兩年的時間到處跑着去找橫向經費。跟着好朋友去借設備，勒緊褲帶自己幹，一個人當三個人來用，各種困難都得克服着往前走。怎麼也找不到生物合成的中間產物，閆建斌只能下死功夫，搞了一卡車的紅豆杉枝條來做化合物提取。
生命科學獎獲獎人和頒獎嘉賓合影
後來，他擁有了一整套交叉學科方法系統。從生物煉製、植化的分離提取、代謝組學的檢測、分子方面的酶學鑑定以及各種細胞培養與合成生物學的實驗，都讓他湊齊了。連他MIT的導師都沒有他的工具齊全。
2021年，他帶領團隊率先繪製出國際首張染色體級別的南方紅豆杉基因組圖譜，爲解析紫杉醇生物合成途徑提供了基因組學藍圖。2024年，他找出了兩個關鍵酶T9αH和TOT，構造了迄今爲止最短的紫杉醇異源合成路線，真正實現了“借腹生子”的生物合成。
作爲本屆科學探索獎7名女性獲獎者之一，周樹雲回憶了她科研道路上，中間也曾有過比較忙碌、辛苦的日子。在那段日子，她心中反而更明確了兩件事：儘管工作如此繁忙和疲憊，但從未想過放棄，這讓她確信自己對科研的熱愛是源自內心的；再者，既然能夠挺過如此艱難的時刻，她相信未來沒有什麼困難是不可克服的。
就像她在Nature雜誌人物專欄中讀到過的許多科學家的故事一樣，每個人都可能遇到困難，但只要堅持不懈，就能不斷成長和進步。做科研就要有不怕困難的精神，教學中她常常用來鼓勵學生的話是：登過3000米的山峰，再看到2000米時就不會感到恐懼。
圖源：Pixabay
在實驗室建設的初期，每天的工作重複且繁忙，她的學生問她，“周老師，我們想研究的週期光場調控物理很有意思，我們就想從事這樣的研究，但是爲什麼我現在做的卻是擰螺絲這樣瑣碎的事情呢？”。她的回答是，“實驗物理研究不是空中樓閣，它需要我們腳踏實地，從研製先進儀器設備開始。正所謂工欲善其事，必先利其器”。她強調，每一個細節都是成功的關鍵，每一個小步驟都是通往大目標的必經之路。
野心和與之相配的努力之後，成功仍然是無數孤獨的嘗試之後纔會發生的概率事件。
去年，與AI和大語言模型一起熱門起來的一個名詞是“涌現”，在人類的科學發展史上，科技的發展，尤其是那些改變世界的新發現，往往也是遵循着“涌現”的模式。在千百次對過往經驗的學習中，一種未知的新的知識、技能忽然間產生了——它們並非線性的發展，而是在漫長積累後的某個時刻，毫無徵兆地，忽然之間就發生了。
2022年底，周樹雲回到清華10年整，她終於和合作者第一次實現了飛秒脈衝激光對半導體材料能帶結構的調控，調控的時間尺度是十萬億分之一秒。曾經以爲遙不可及、近乎科幻的奇蹟，那一刻如此清晰地呈現在她的面前。
耗時十多年，閆建斌帶領團隊率先繪製出國際首張染色體級別的南方紅豆杉基因組圖譜，爲解析紫杉醇生物合成途徑提供了基因組學藍圖。2024年，他找出了兩個關鍵酶T9αH和TOT，構造了迄今爲止最短的紫杉醇異源合成路線，真正實現了“借腹生子”的生物合成。
2021年，馮建東發展的單分子電化學反應成像的化學顯微鏡技術登上了《自然》的封面。封面用了一張概念圖，“透過一個‘水晶球’我們看清楚被化學反應點亮的微觀結構，視未所見（Seeing the unseen, visualizing the invisible）……”馮建東說。
十多年前，劉連慶在申報經費時第一次提出“類生命機器人”時，被評委評價爲“天方夜潭”。那個時候他女兒還小，有一天就把自己心愛的玩具種在花盆裡。爺爺問她，是不是明天要長出一個新的玩具？當時劉連慶課題組正在論證項目，每天都在思考一些新奇的點子，女兒可能受到了耳濡目染，居然回頭問：爸爸，我這想法符合你天天想的事情吧？
而今天，他的類生命機器人雛形——“帶有細胞的器件”，維持感知功能的時間達到兩週，驅動功能可持續數月以上，智能已經初見端倪，而所發展的微納檢測和操控技術，已經投入實用，朝着“頂天”“立地”的目標紮實前行。
他們也因爲這些曾經看似不可思議的研究以及未來研究的潛力，獲得了中國民間最具影響力青年科學大獎——科學探索獎，這個由新基石科學基金會出資、科學家主導的公益獎項，希望給這些有野心的青年科學家以底氣，支持他們自由探索。
這個有耐心的科研基金，向他們展現了充分的信任，支持他們去專注地實現自己的夢想——解決科學界迫切的、重要的，卻也是極其艱難的問題。
早在六年前，騰訊注意到了這一代中國的青年科學家們的願望，出資設立科學探索獎，鼓勵和幫助青年科技人才趟過科學的“無人區”。作爲中國民間金額最高的青年科技人才資助計劃之一，科學探索獎自創立伊始便給自己定下了“面向未來，獎勵潛力、鼓勵探索”的宗旨，支持那些最基礎、最重要，真正能夠實現改變人類認知，拓展科學邊界的研究。
截至2024年，科學探索獎已累計資助297位青年科學家，每人每年獎勵60萬元，連續5年，共300萬，不對資金使用做任何限制。改善生活也行，購買設備也好，只是期待這些年輕人們沒有負擔地去實現自己的野心。
畢竟，在漫長等待中，科學家的時間不應只有蟄伏，不應只與清貧和挫折相伴，更需要來自各界的支持。
六年後，騰訊集團高級副總裁奚丹說，六年前播撒的種子，如今已陸續破土而出。
騰訊集團高級副總裁奚丹爲頒獎典禮致辭
他們中，有人做出的“刷屏”級重大科研成果登上了國際核心科學期刊，有人獲得了國際數學大獎，有人成了最年輕的中國科學院院士，更有多位獲獎人的研究成果入選年度“中國十大科學進展”……
科學探索獎2024年頒獎典禮獲獎人合影
2020年科學探索獎先進製造領域獲獎人、香港理工大學機械工程系講座教授王鑽開曾提到，“如果沒有科學探索獎，我的科研可能會是線性的前進，而實際上，過去幾年我們的成果有一點爆發式的增長，過去三年的成果是過去十年達不到的”。
2019年科學探索獎交通建築領域獲獎人、西南交通大學副教授鄧自剛在申報獎項時，他的真空管道超高速磁懸浮只有45米的環線，最高速度也只有50公里每小時。外界有不少疑問：“又是磁懸浮，又是真空管道，速度怎麼這麼慢？”還有的質疑直接說，“你們做的就是玩具，讓大家去遊樂、玩耍的，不是一個真正的交通工具”。
五年過去了，“今天來看，這個方向是對的。現在全世界做真空管道交通時速達到1000公里，國外有五個國家、七家單位在做，國內是有六家單位在做。很欣慰的是通過我們的努力，經過這五年的發展，這個領域已經成爲一種國內外的研究共識。”鄧自剛說。
真空管道交通的提出者羅伯特·哈金斯·戈達德的一句話曾無數次激勵着他，“昨天的夢想，將變成今天的希望，也將變成明天的現實。”