10.23
知识分子
The Intellectual
科学探索奖2024年颁奖典礼现场
“从今天开始，你们将踏上科研生涯新的征程，不愿再去追逐已有的热点，也不想将发表几篇CNS文章作为目标了。号角已经吹响，奔向未来，去开创新的科学天地吧！”
这是中国科学院院士王志珍在颁奖礼上对新一届49位科学探索奖得主的寄语，因为在他们的心里，充满着真正要做的“大事”、“有趣的事”、“重要的事”。
王志珍院士为颁奖典礼致辞
最年轻的“科学探索奖”获奖人、出生于1992年的浙江大学教授冯建东的梦想是：有一天可以对单分子到单细胞进行定量描述，在微观的极致探索并理解生命过程。
合成生物学家闫建斌想要“凭空”再造地球上最古老的树种红豆杉的提取物紫杉醇，因为它是抗癌神药。
清华大学的教授周树云是数学物理学领域获奖人，她希望能在万亿分之一秒的时间尺度上，用光来调控决定材料的物理特性的电子能带结构，以改造它的“基因”，实现更高速度的器件。
先进制造领域获奖人、中国科学院沈阳自动化研究所研究员刘连庆则想要证明，“有血有肉的机器人”不是只存在于科幻小说。
从电子、分子、蛋白质到类生命机器人，这批年轻的科学探索奖的获奖者们想用自己的勇气、智慧与决心发现这个复杂世界的秘密。
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01
野心
海拔四千多米的吉隆，走在西藏与尼泊尔边境线上，一小撮人钻进繁茂的原始森林里，探寻恐龙时代的遗珠。车上的氧气罐“咣当咣当”响个不停，高原反应晕得人吃不下饭，队伍都没精打采的。突然走在前面的人大喊，“发现红豆杉了！”大家兴奋地一窝蜂拥上去。
10月的初秋，红色浆果在阳光下发光。八九株的自然聚落，头顶的高大乔木替它掠去了光影，树叶细小而密集，树皮光滑泛着红棕。伴着溪流的水声，空气潮湿而清新。这片人迹罕至的地方孕育着生命的传奇。即便做了十多年研究，那一刻闫建斌依然感受到了深深的敬畏与震撼。
中国农业科学院深圳农业基因组研究所的研究员闫建斌对它250万年的光阴如数家珍：它既是生活的庆典，人类历史上第一棵圣诞树由它扮演；也是永恒的象征，当它生长至两三千年时，树干中间有时还会变成空心，中间再生长出小树苗，犹如凤凰涅槃。它既拥有毒性，曾无数次的带来死亡，又在90年代摇身一变成为全球销量最大的广谱癌症化疗药物。
在谈癌色变的年代，人们疯狂剥下它的树皮，寻找一种叫做紫杉醇的抗癌药；当大片的红豆杉死亡后，人们又开始剪它的枝叶，获得紫杉醇前体（巴卡亭III等）进行工业化半合成，维系人类的生命。
可惜的是，这种古老的神树长得实在太慢了：一年仅2-3厘米，更不要说约万分之三的提取率。对于一个成年卵巢癌患者，仅治疗一个周期，就需要30～50棵20年树龄的红豆杉树。
三十年来，科学家们苦心想要找出一条步骤精简、高效便捷、价格低廉的生物全合成之路，但都被这个“怪兽级分子”拦住——两个六元环、一个八元环和一个四元环，这种复杂多环结构使得紫杉醇的分子结构非常独特和复杂。为了得到这个分子，需要经过高达二十步的酶促反应，而且一半都是复杂的细胞色素酶P450。这类酶结构和活性非常复杂，在自然界中有20万种。闫建斌要在20万个分子里面像大海捞针一样把它给捞出来。更不要说，红豆杉10G的超大基因组“地图”，是人类基因组的3.4倍。
明星抗癌药紫杉醇堪比黄金，有药难及曾是闫建斌亲眼目睹的现实。带领他在南京大学进行硕士研究学习的导师早在2013年因为癌症去世，离开的时候才44岁。他是导师带的第一届学生，实验导师手把手地教，一步步盼着他成长成才，相互间有很深的感情。
从博士后开始，闫建斌心里一直装着造“黄金”的事。从东北边境、西藏尼泊尔边境再到云南缅甸交界处，就像红豆杉生长的地方一样，他需要穿越无人之境。自然界没有告诉我们的，由他来回答。
冯建东一直记得二十年前在中学化学课上第一次看到构成万物的分子模型时的震撼，“为什么我不能直接用肉眼看到这些单个的分子，为什么我不可以左手抓一个分子、右手抓一个分子去做实验？”
光镊、磁镊、超分辨荧光显微镜、原子力显微镜……单分子技术工具丰富多样，不乏摘得诺奖的成果，但时至今日，他所畅想操控单分子做反应的思想实验也没有真正实现。
跨过化学本科、物理学博士、生物工程博士后的各个阶段，进入交叉学科的冯建东要为少时的自己寻找一份答案。
让单分子穿过纳米孔，从单孔离子电流扰动中获取分子信息，是冯建东开启单分子研究的第一步。纳米孔的结构尺寸是影响测量分辨率的决定性因素。他发展了单层纳米孔的化学制造策略，让纳米孔具有极致的亚纳米厚度和孔径，从而具有极高灵敏度的单分子测量能力。
而进行到给单分子拍照的一步，受制于单分子光学信号的微弱，分子的动态过程和位置随机，追踪和控制难，传统上单分子光学成像是使用激光的荧光来实现的。冯建东为其打造了一套新型化学成像系统：用化学发光来取代荧光来进行单分子成像。但是如何测到单分子的化学发光反应呢？他提出一种单分子时空隔离测量策略：一边通过稀释溶液中的分子浓度实现空间隔离，一边让高速相机进行分子状态的时间隔离，再辅以施加电压控制化学发光反应的进行。
就这样，化学发光第一次实现了单分子成像。更重要的是，化学发光不需要荧光成像的光激发，没有背景的全黑环境下成像，灵敏度无可比拟。
2019年的夏夜，他获得了一张属于自己的“星空”， 一个个时空孤立的单分子反应产生的发光信号。“那天晚上我走出实验室，抬头看到天上有非常多的星星，那些发光的分子就像满天闪烁的繁星”，冯建东回忆道。
一位化学家和生物学家可以和分子打交道的方式有哪些？“测量它、看到它、操控它”，这是冯建东的答案，“当然，我们想为化学家和生物学家提供手段，打通这些功能，操控分子”。这里随处充满了未解的科学问题。单分子蛋白测序、单分子多维成像到精密操控，一切都需要新的、更强大的实验工具。
2021年，冯建东的研究登上《自然》杂志封面
物理学家也有同样的野心，但她想操控的是电子。周树云的工具是光，是万亿分之一秒脉冲宽度的周期势场，是每厘米10的八次方伏的脉冲激光。
获奖人周树云分享
固体物理第一课告诉我们：电子在动量空间中具有周期性。如果改变这些电子在时空中的排列，我们得以调控这些材料。晶格中特定的电子能量-动量关系展现出特定的物性，绝缘体、超导体、半导体、磁体……它们中的一些被挑选出来发展成高速器件，托举人类文明迈向璀璨篇章。而主宰这璀璨发展几十年的“摩尔定律”即将走到尾声——单纯依靠缩小晶体管尺寸的做法，不仅受到工艺成本的限制，还将带来棘手的功耗和散热问题。
原子的振动、电子和电子的碰撞、电子绕原子核的运动，发生在万亿分之一秒。科学家们决定在时间的缝隙中寻找新的答案。在固有的时空周期之外，给电子施加一个新的时间周期势场，电子的能带会不会以我们所期待的方式重构？它会进行怎样的散射、复制和相互作用？这被称之为超快动力学。
不是所有的电子都有幸参与，材料必须非常干净，电子和和电子间的碰撞要尽可能的少。也不是任意强度的周期光场都可以，起码要跟电子在材料内部所感受到的场，强度差不多，量级可比拟。只有这样物态才能从平衡转向非平衡，我们才能够操控电子以我们所想要的方式。
周树云用了5年来搭建探测固体材料能带结构的电子能谱仪，并用了另一个5年研制了具有国际先进技术指标的脉冲激光光源，并将其与角分辨电子能谱仪结合。而就在前不久，她才刚刚在半导体材料黑磷中实现能带结构的瞬时调控。
“科学是非常非常美妙的，我们有幸比别人更早一点窥探到自然的秘密。虽然它也许只是一个很小的秘密，但是我觉得这份满足感值得我们这么多年的努力。在时间和能量的维度来调控材料的物理性质，这是我梦寐以求的。”周树云说道。
02
忠告
这些科学家探索世界的野心并不会因为他们的科学家身份就天然就更靠近答案，他们同样是雇员、竞技者和年轻人。
闫建斌的博士后导师麻省理工学院教授Gregory Stephanopoulos在他启程回中国前，告诉他，“我这个课题一辈子，这个东西太难了。我也了解中国的tenure-track，在五六年之内很难做不出来很重要的科学成果，你后面的发展太受限了”。闫建斌理解导师的好意，但这个来自黄土高原的青年人依旧想要尝试挑战性的问题。“总要有人去突破，也不能老拣简单的去做，再加上我自己也真的感兴趣”，闫建斌说道。
他的底气也来自博士期间突破茉莉素受体的世纪难题所建立的学术信心。“不要怕，踏实往前做”，他一直这样告诉自己。
闫建斌带着清晰的 “三步走”方案回到了国内：第一步获得基因组图谱，第二步找到关键的中间产物，第三步在获取的底物和产物间，筛选关键酶。在清华大学里从红豆杉细胞培养、代谢调控的“冷板凳”坐起，五年之后南下深圳，来到中国农业科学院深圳农业基因组研究所，他才获得一个构建完整基因组图谱的机会。
闫建斌在实验室
母亲担心他，他反过来安慰：“咱家的土豆擦擦、饺子和煎饼，特别好吃，我跟你学了之后，再不济我来深圳这边开饭馆，养活自己肯定不愁。”
周树云的周期光场调控常常被朋友称作“科幻”，“这个东西这么好，为什么没有实现呢？”理论预言早在百年前就存在，具体到固体材料是过去二十年的事，但实验方面的进展则屈指可数，电子的社会学远比人们想象的更复杂。
2012年周树云回到清华大学物理系之后，从零开始开始搭建中红外强场脉冲光源，光子能量、峰值场强、光的偏振这些重要的参数没有哪个理论家告诉她们真正的区间，只有不断摸索，结合自己的物理直觉做出判断。她花了十年才真正做到周期光场调控，而前五年对二维材料及异质结的研究积累也为此奠定了重要的基础。
周树云在实验中。图片来源：清华大学新闻网
刘连庆提到了一位学术前辈曾对他说：“不要再只专注纸面上写文章了，写文章是为了证明你有创新思维和有较好的科研素质，你已经写了这么多文章，拿过了这么多荣誉……咱们在工科领域，现在更要想想，自己的研究能真正为国家的需求做出多大贡献？”
探索“有血有肉”的机器人能“顶天”，为了研究这些机器人所发展出的技术则能“立地”。除了继续深入研究生命-机电系统融合的类生命机器人外，刘连庆将为了构建类生命机器人所发展的微纳检测、微纳操控技术与大国重器的制造相结合，“我也不希望到最后只发了一些文章，在科学进展里面好像有个名字，对于现实世界没有那么大的贡献。我希望能把两个结合起来，这很难，但这是梦想”，刘连庆说道。
2018年冯建东来到浙江大学化学系组建实验室时，他也在寻找理想和现实的平衡。他决定在理想一侧加一加砝码，“我觉得可能要有心理准备，接受“做事是有一定失败的概率”，并且能够接受这种失败的概率，那剩下的只剩勇敢坚定地去做”。建组前3年不发研究论文，同时用6年时间倾注最多的资源到仍未产出的全新方向，都是他愿为理想增加的砝码。
“科学工作让我有两个开心的时刻，一个是发现新的科学问题，还有一个是解决了一个问题，从发现问题到解决问题所带来的豁然，可能要超过发表成果和获得其他东西的快乐”，这是冯建东继续他单分子思想实验的动力。
03
蛰伏
为了这份野心，需要蛰伏多久？三年、五年、十年还是更久……尽管时间不一，但都有相同的问题要面对。
最初来到中国农业科学院深圳农业基因组研究所时，闫建斌只有30平的实验室。设备、经费、人手统统没有。他花了两年的时间到处跑着去找横向经费。跟着好朋友去借设备，勒紧裤带自己干，一个人当三个人来用，各种困难都得克服着往前走。怎么也找不到生物合成的中间产物，闫建斌只能下死功夫，搞了一卡车的红豆杉枝条来做化合物提取。
生命科学奖获奖人和颁奖嘉宾合影
后来，他拥有了一整套交叉学科方法系统。从生物炼制、植化的分离提取、代谢组学的检测、分子方面的酶学鉴定以及各种细胞培养与合成生物学的实验，都让他凑齐了。连他MIT的导师都没有他的工具齐全。
2021年，他带领团队率先绘制出国际首张染色体级别的南方红豆杉基因组图谱，为解析紫杉醇生物合成途径提供了基因组学蓝图。2024年，他找出了两个关键酶T9αH和TOT，构造了迄今为止最短的紫杉醇异源合成路线，真正实现了“借腹生子”的生物合成。
作为本届科学探索奖7名女性获奖者之一，周树云回忆了她科研道路上，中间也曾有过比较忙碌、辛苦的日子。在那段日子，她心中反而更明确了两件事：尽管工作如此繁忙和疲惫，但从未想过放弃，这让她确信自己对科研的热爱是源自内心的；再者，既然能够挺过如此艰难的时刻，她相信未来没有什么困难是不可克服的。
就像她在Nature杂志人物专栏中读到过的许多科学家的故事一样，每个人都可能遇到困难，但只要坚持不懈，就能不断成长和进步。做科研就要有不怕困难的精神，教学中她常常用来鼓励学生的话是：登过3000米的山峰，再看到2000米时就不会感到恐惧。
图源：Pixabay
在实验室建设的初期，每天的工作重复且繁忙，她的学生问她，“周老师，我们想研究的周期光场调控物理很有意思，我们就想从事这样的研究，但是为什么我现在做的却是拧螺丝这样琐碎的事情呢？”。她的回答是，“实验物理研究不是空中楼阁，它需要我们脚踏实地，从研制先进仪器设备开始。正所谓工欲善其事，必先利其器”。她强调，每一个细节都是成功的关键，每一个小步骤都是通往大目标的必经之路。
04
涌现
野心和与之相配的努力之后，成功仍然是无数孤独的尝试之后才会发生的概率事件。
去年，与AI和大语言模型一起热门起来的一个名词是“涌现”，在人类的科学发展史上，科技的发展，尤其是那些改变世界的新发现，往往也是遵循着“涌现”的模式。在千百次对过往经验的学习中，一种未知的新的知识、技能忽然间产生了——它们并非线性的发展，而是在漫长积累后的某个时刻，毫无征兆地，忽然之间就发生了。
2022年底，周树云回到清华10年整，她终于和合作者第一次实现了飞秒脉冲激光对半导体材料能带结构的调控，调控的时间尺度是十万亿分之一秒。曾经以为遥不可及、近乎科幻的奇迹，那一刻如此清晰地呈现在她的面前。
耗时十多年，闫建斌带领团队率先绘制出国际首张染色体级别的南方红豆杉基因组图谱，为解析紫杉醇生物合成途径提供了基因组学蓝图。2024年，他找出了两个关键酶T9αH和TOT，构造了迄今为止最短的紫杉醇异源合成路线，真正实现了“借腹生子”的生物合成。
2021年，冯建东发展的单分子电化学反应成像的化学显微镜技术登上了《自然》的封面。封面用了一张概念图，“透过一个‘水晶球’我们看清楚被化学反应点亮的微观结构，视未所见（Seeing the unseen, visualizing the invisible）……”冯建东说。
十多年前，刘连庆在申报经费时第一次提出“类生命机器人”时，被评委评价为“天方夜潭”。那个时候他女儿还小，有一天就把自己心爱的玩具种在花盆里。爷爷问她，是不是明天要长出一个新的玩具？当时刘连庆课题组正在论证项目，每天都在思考一些新奇的点子，女儿可能受到了耳濡目染，居然回头问：爸爸，我这想法符合你天天想的事情吧？
而今天，他的类生命机器人雏形——“带有细胞的器件”，维持感知功能的时间达到两周，驱动功能可持续数月以上，智能已经初见端倪，而所发展的微纳检测和操控技术，已经投入实用，朝着“顶天”“立地”的目标扎实前行。
他们也因为这些曾经看似不可思议的研究以及未来研究的潜力，获得了中国民间最具影响力青年科学大奖——科学探索奖，这个由新基石科学基金会出资、科学家主导的公益奖项，希望给这些有野心的青年科学家以底气，支持他们自由探索。
这个有耐心的科研基金，向他们展现了充分的信任，支持他们去专注地实现自己的梦想——解决科学界迫切的、重要的，却也是极其艰难的问题。
早在六年前，腾讯注意到了这一代中国的青年科学家们的愿望，出资设立科学探索奖，鼓励和帮助青年科技人才趟过科学的“无人区”。作为中国民间金额最高的青年科技人才资助计划之一，科学探索奖自创立伊始便给自己定下了“面向未来，奖励潜力、鼓励探索”的宗旨，支持那些最基础、最重要，真正能够实现改变人类认知，拓展科学边界的研究。
截至2024年，科学探索奖已累计资助297位青年科学家，每人每年奖励60万元，连续5年，共300万，不对资金使用做任何限制。改善生活也行，购买设备也好，只是期待这些年轻人们没有负担地去实现自己的野心。
毕竟，在漫长等待中，科学家的时间不应只有蛰伏，不应只与清贫和挫折相伴，更需要来自各界的支持。
六年后，腾讯集团高级副总裁奚丹说，六年前播撒的种子，如今已陆续破土而出。
腾讯集团高级副总裁奚丹为颁奖典礼致辞
他们中，有人做出的“刷屏”级重大科研成果登上了国际核心科学期刊，有人获得了国际数学大奖，有人成了最年轻的中国科学院院士，更有多位获奖人的研究成果入选年度“中国十大科学进展”……
科学探索奖2024年颁奖典礼获奖人合影
2020年科学探索奖先进制造领域获奖人、香港理工大学机械工程系讲座教授王钻开曾提到，“如果没有科学探索奖，我的科研可能会是线性的前进，而实际上，过去几年我们的成果有一点爆发式的增长，过去三年的成果是过去十年达不到的”。
2019年科学探索奖交通建筑领域获奖人、西南交通大学副教授邓自刚在申报奖项时，他的真空管道超高速磁悬浮只有45米的环线，最高速度也只有50公里每小时。外界有不少疑问：“又是磁悬浮，又是真空管道，速度怎么这么慢？”还有的质疑直接说，“你们做的就是玩具，让大家去游乐、玩耍的，不是一个真正的交通工具”。
五年过去了，“今天来看，这个方向是对的。现在全世界做真空管道交通时速达到1000公里，国外有五个国家、七家单位在做，国内是有六家单位在做。很欣慰的是通过我们的努力，经过这五年的发展，这个领域已经成为一种国内外的研究共识。”邓自刚说。
真空管道交通的提出者罗伯特·哈金斯·戈达德的一句话曾无数次激励着他，“昨天的梦想，将变成今天的希望，也将变成明天的现实。”
