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谢灿:在一个未知的旅途,我路过一座丰碑 | 纪念Klaus Schulten

2016年11月03日 22:43 来源于 财新网
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无论是已经逝去的,还是正在前行的,其实都在科学的旅途中,经过很多杰出的科学家们在路途中树立的一座座丰碑,都只是为了一步步地逼近真理。而这些丰碑,无论被推倒的,还是被越过的,都将被经历此路的科学家铭记在心
►Klaus Schulten

  撰文 | 谢灿(北京大学生命科学学院)

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  有朋自远方来,不亦乐乎?2016年11月1日,一位认识多年的挚友从美国来北京,约了几位朋友一起小酌。我不是贪杯之人,但是和朋友围坐叙旧,聊聊理想与科学,确是人生快意之事。

  相谈甚欢之际,手机突然响起,一个email进来——Klaus Schulten教授今日刚刚去世——突然之间,竟然不知所措,百感交集。杯中酒百味夹杂。

  对我来说,Klaus Schulten是磁感应,动物迁徙和生物导航研究领域的一座丰碑。当心中的一座学术丰碑轰然倒塌,是感伤而不能自已的一件憾事。

  如果将镜头回放到二十世纪六七十年代,这一领域开始孕育和蓬勃发展之际,由于人们对磁感应和动物迁徙的机理几乎一无所知,各种狂野的猜想,尖锐的批判共存,想象力和创造力如同烟花一样绽放在科学的夜空中。

  1965年,Wolfgang Wiltschko刚刚完成证明鸟类能够感知和分辨磁场的方向的实验(Wiltschko and Merkel, 1966)。其后他遇到了他未来的夫人,1972年,Wiltschko夫妇证明知更鸟使用一种磁倾角罗盘进行迁徙,但工作原理尚未可知(Wiltschko and Wiltschko, 1972)。诸多充满玄幻色彩的假说和模型盛行一时,但因为缺乏科学基础,又纷纷落幕。

  ►Wolfgang Wiltschko(右), Roswitha Wiltschko(左)。来源:Eigenes Werk

  同一时期,Klaus Schulten,一个天才的物理学家,刚刚获得他的化学物理学博士学位,在Max Plank 研究所谋到了一个职位。他猜想光激发的高速三重态反应中的一对电子处于量子纠缠态,并推算得知其单重态(Singlet)到三重态(Triplet)的转换速度受磁场调控,据此提出了他后来非常著名的自由基对假说(Radical Pair Model, 也被称为Chemical Compass Model,也即化学指南针假说)。他进而大胆地推测这一反应可能构成了动物磁感应和鸟类迁徙的基础。

  他是一个纯粹的理论物理学家,注定了他不能(或者不愿?)穿上实验服去验证自己的理论。他因此成了众人眼中的疯子,并被实验室的负责人Hubert Staerk质疑,因为后者的实验证明这个理论是错误的。然而,当心灰意冷的Klaus在浏览Staerk给他的实验结果时,惊喜地发现其实Staerk的结果恰恰是他所期望的结果。1976年Klaus在德文期刊上发表了他的理论推测。1978年在英文期刊上正式提出了这一假说而广为人知(Schulten and Weller, 1978)。其中一个插曲是,当时Klaus最初投稿的是Science,但是被editor认为“稍微有点自知之明的科学家都会把这种猜想丢进废纸篓里”。

  ►Klaus Schuten 1978年的论文。较为完整地描述了磁感应和动物迁徙的Radical Pair假说(也称为化学指南针假说)。

  值得一提的是,1978年,Klaus在哈佛大学的演讲中,被著名科学家Dudley Herschbach(其后获得诺贝尔化学奖)当众质疑“鸟的身体哪里有激光呢?”Klaus冷静地回答“可能发生在鸟类的眼睛中”。其后22年间,这一假说无人问津并一直被当做异想天开。2000年,Klaus和他的学生进一步撰文认为,存在于动物眼睛中的隐花色素Cryptochrome (简称Cry)符合他们预测的所有条件,并预测Cry就是化学指南针机制的可能的分子(Ritz et al., 2000)。其后更进一步完整地推导出他们假想中模型的细节(Solov'yov et al., 2008)。在2008年,Klaus Schulten的这一预测被Steven Reppert实验室通过果蝇的基因敲除实验所证实(Gegear et al., 2008),其后,在Peter Hore等一大批著名科学家的推动下逐渐发展和完善。

  ►Klaus Schuten 和他的学生Thorsten Ritz在2000年的论文。第一次预测Cry是可能的磁感应受体。

  ►Klaus Schuten 和他的学生Ilia A. Solovyov在2008年的论文的图一。详细阐述了Radical Pair Model的细节。

  尽管基于Cry的化学指南针假说从提出伊始就一直被挑战,包括我自己也并不认同,但无可置疑的是,Klaus Schulten的这一工作是理论先行的经典范例(我个人认为可以与Peter Mitchell的化学渗透假说相媲美<Mitchell, 1961>,两者都是在对一个生物学问题几乎一无所知的时候,基于极其有限的线索提出的天才般的理论预测,其后被逐渐证实和完善)。这是一个天才的物理学家充满想象力和创造力的体现,把一个宏观上神秘的动物行为通过理论预测锁定在一个分子机制上。他在磁感应、动物迁徙和生物导航领域的贡献几乎无人能及,堪称这一领域的一个丰碑。

  我一直对Klaus的创造力和想象力充满崇拜,然而,我认为化学指南针假说不足以解释磁感应和动物迁徙的分子机理。2009年回国加盟北大后,我开始了自己的探索之旅。我坚信动物磁感应的受体其实另有玄机,而Cry只是其中的一个关键部件。因此,某种意义上,Klaus既是我崇拜的科学家,也是我尊重和敬佩的一个对手,或者说是我希望能够逾越的一块丰碑。

  于是六年后,2015年11月16日,我们在Nature Materials上发表了自己的工作,某种意义上否定了(或者部分否定了)Klaus Schulten的工作,提出了真正的磁感应受体是我们找到的MagR,而Klaus 提出的Cry只是光磁偶联的复合机器中的一部分。

  两天后的11月18日,我接到Klaus Schulten的email,那是我和他的第一次直接接触(尽管我对Klaus Schulten 神交已久,但一直没有机会见面)。他的email全文如下:

  “Dear Dr. Xie,

  My compliments to your very interesting Nature Materials paper on “A Magnetic Protein Biocompass.”

  I very much enjoyed reading your paper and thinking about what your magnetosensor system means for biological magnetoreception.  Clearly, you opened a new door to the field with adding the MagR polymer to the picture, so far dominated by Cry alone.

  I would like to ask you for the pdb file of the complete magnetosensor system to follow your arguments in detail.  I completely understand that your structure is just a first model and my intention in looking at the pdb file is solely to follow your arguments in your paper and to be inspired by your great finding, not to criticize it.  Should I have any question or critique I would communicate it to you and discuss it with you.

  Again my compliments and best wishes to your co-authors and you, Klaus Schulten”

  记得当时接到这个email,我心中非常激动,写了一个长长的email,详细介绍了我们的工作,对动物磁感应分子机理的推测和我们的证据,同时附上了我们的分子模型以及其他的相关资料。Klaus马上回应说他会仔细思考并推敲MagR和Cry之间的关系(“ I look very much forward seeing it up close!  Looking forward to get back to you and discuss the partnership between Cry and MagR further”). 

  其后,从友人口中得知Klaus的身体状况其实很不好,心里一直希望他能康复过来。

  生活仍在继续,我们的研究也在持续而坚定地往前推进。2016年10月29-30日,在桂林召开的《光合作用与生物导航相关的物理过程》会议中,孙昌璞老师,喻进老师(Klaus的学生) 和我刚刚商定联合邀请Klaus Schulten教授访问北京事宜。我们都非常exciting(兴奋)并充满期望。然而,世事竟然如此无常,两天后,我们惊闻Klaus Schulten已经离我们而去。想来,我们参加的这次研讨会竟成了对Klaus 早年工作的一个具有特别意义的回顾!

  夜深,酒渐醒,心中竟悲怆莫名,为一个天才的物理学家或者说生物物理学家的突然逝去。但是,Klaus Schulten早年的工作在这个领域树立的丰碑将永远留存在我们的心中。想想也是,我们,无论是已经逝去的,还是正在前行的,其实都在科学的旅途中,经过很多杰出的科学家们在路途中树立的一座座丰碑,都只是为了一步步地逼近真理。而这些丰碑,无论被推倒的,还是被越过的,都将被经历此路的科学家铭记在心。

  2016年11月1日深夜,谢灿于北京大学燕东园。谨以此文纪念Klaus Schulten的去世。

  参考文献:

  1.Gegear, R.J., Casselman, A., Waddell, S., and Reppert, S.M. (2008). Cryptochrome mediates light-dependent magnetosensitivity in Drosophila. Nature 454, 1014-1018.

  2.Mitchell, P. (1961). Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature 191, 144-148.

  3.Ritz, T., Adem, S., and Schulten, K. (2000). A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys J 78, 707-718.

  4.Schulten, K., and Weller, A. (1978). Exploring fast electron transfer processes by magnetic fields. Biophys J 24, 295-305.

  5.Solov'yov, I.A., Chandler, D.E., and Schulten, K. (2008). Exploring the possibilities for radical pair effects in cryptochrome. Plant Signal Behav 3, 676-677.

  6.Wiltschko, W., and Merkel, F.W. (1966). Orientierung zugunruhiger Rotkehlchen im statischen Magnetfeld. Verh Dtsch Zool Ges 59, 362–367.

  7.Wiltschko, W., and Wiltschko, R. (1972). Magnetic compass of European robins. Science 176, 62-64.

  附注一:

  Klaus Schulten 不只是在磁感应、动物迁徙和生物导航做出了卓越的开创性的成就,同时也因为在分子动力学和结构模拟领域的成就而广为人知。他开发的两款软件NAMD及VMD在这一领域几乎无人不知,在全球被广泛使用。发表学术论文700多篇,总被引用超过80000次。 

  附注二:

  本文还参考了两本著作:

  1,Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology (by Johnjoe McFadden and Jim Al-Khalili ) 及其中译本《神秘的量子生命》

  2,Historical Series: Magnetic Sense of Birds (That Nest of Wires We Call the Imagination: A History of some Key Scientists Behind the Bird Compass Sense <By Lisa Pollack, 2012>) http://www.ks.uiuc.edu/History/magnetoreception/

责任编辑:崔筝 | 版面编辑:张柘
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