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编者按:11月22日,中国科学院、中国工程院2019年新当选院士结果公布。北京大学物理学院高原宁教授、物理学院讲席教授汤超、数学科学学院张继平教授、化学与分子工程学院张锦教授、信息科学技术学院彭练矛教授新当选为中国科学院院士。北京大学人民医院胸外科主任王俊、第三医院血管医学研究所研究员董尔丹新当选为中国工程院院士。为展现新晋院士风采,发挥榜样的力量,北大新闻中心汇集多方资源,以融媒体新闻的形式对新当选院士进行了专题报道。本文将带你走进汤超院士的学术世界。

“什么是生命的数学语言?什么是生命的物理?”在2019年11月举行的CUSPEA(中美联合培养物理类研究生计划)40周年大会闭幕式上,汤超在发言结尾抛出几个引人深思的看似“无解”的问题。这是生命科学领域最前沿的问题之一,也是汤超从事交叉学科研究以来探索的主要方向。

汤超在统计物理、凝聚态物理、非线性科学、复杂系统、物理生物学、系统生物学等领域做了许多开创性工作,其中有不少已被写入教科书。他以独特的“科学品味”,致力于用物理学思想方法研究生物问题,探索生命系统中的定量规律和设计原理。

汤超接受北大电视台采访,畅谈心中的中国梦、北大梦(视频来源:北大电视台 王鹏 刘其源)

一位物理学家的生命科学探索之路

中学时,汤超最喜欢物理,进中科大物理系是他的梦想。但高考那年中科大和北大的物理系在江西都不招生,汤超进入了力学系。出于对物理的热爱,大学时他自学了不少物理,并常去旁听物理系的课。

上世纪80年代,李政道发起CUSPEA项目,圆了汤超的“物理梦”。该计划由中美双方联合通过专门的招生途径,每年选送百名左右国内大学生,赴美攻读博士学位。汤超作为考取CUSPEA项目的首批留学生来到美国,在芝加哥大学攻读统计物理学。

汤超的导师、统计物理大师卡达诺夫对他影响颇深。“经常是聊着聊着天,研究方向就有了。”芝大的那种讨论式的科研和教学氛围、超越学科界限注重科学问题的思维方式、认真严谨深入的研究作风,不仅为汤超打下了扎实的物理学基础,也培养了他敏锐的“科学嗅觉”和思辨能力,形成了他日后的学术风格。

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汤超

很快,在布鲁克海文国家实验室做博士后的汤超就在自组织临界性问题——一个自己在研究生阶段就十分感兴趣的方向上——做出了出色的成果,在学界引起了很大反响。

1991年,汤超任职于NEC普林斯顿研究所。这里没有研究限制,有的是充分的自由和空间。利用这个机会,汤超开始探索新的领域。他敏锐地感觉到大自然中最复杂的生命现象可以提供新的“素材”。汤超开始接触生物学问题,“觉得特别好玩儿”。

在他看来,生命科学有很多有待探索的领域,但是有点“摸不着头脑”。于是,他开始参加各类的组会、看生物文献,度过了“苦乐参半”的半年,乐在享受探索的过程,但苦于“找不到研究题目”。

真正的转折发生在一次关于蛋白质折叠的学术报告会上,主讲人是斯坦福大学一位研究超导物理的教授。他的研究方向从物理转向生物。“豁然开朗,”汤超意识到,“是不是可以用统计物理方法来研究蛋白质折叠问题呢?”自己在生命科学领域的第一个选题就这样不经意间找到了——这个问题也引导汤超日后提出新的概念,即蛋白质结构可设计性概念。

“生命现象是一片肥沃的土壤,可以催生新的物理、数学、计算机科学等。”蛋白质折叠的研究开启了汤超交叉学科研究的航程。他尝试着用物理学的思维和方法解决更多生命科学领域的问题,此后“一发不可收拾”。

“是我能为国家科研发展出力的时候了”

2005年起,汤超在加州大学旧金山分校(UCSF)任教。这里既有最优秀的生物学家,也能接触到最前沿的生物学课题。汤超参与到招聘、科研、教学、管理等各方面的工作,帮助UCSF建立系统生物学研究方向。

六年后,事业顺风顺水的汤超决定回国。当时,中国的交叉学科无论从理念上,还是科研环境上都和国外有不小差距。

“改革开放、出国留学改变了我的人生轨迹,也改变了整个国家的命运。现在,是我能为推动国家科研发展出力的时候了。”

在汤超看来,国内形势已经发生了很大变化,国民经济、国家实力和国家科研投入都比以前增强了很多。其实,90年代开始,汤超就经常往返于美国和国内,到一些高校和科研院所讲课,参加学术会议。

1999年,汤超受李政道委托开始筹建定量生物学中心的前身——理论生物学中心。最初每年回来两三个月,直到2011年,他举家回国。回国后他全职担任定量生物学中心主任和北大-清华生命科学联合中心(北大)学术委员会主任。

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2002年,李政道与理论生物学中心部分成员合影(右三为汤超)

“今天的生物学中,原理、公式、数学方程多了,但是将来更可能会出现新的‘生命的数学语言’,新的‘生命的物理’。如果坚持打破学科界限来研究生命现象,影响将是巨大的。”

汤超带领团队,利用北京大学的多学科优势,集中数学、物理、化学、工学、生物和信息科学的研究力量,开展并推动定量系统生物学研究取得一系列进展。

汤超课题组把非线性动力学概念用在生物调控网络上,提出了生物系统鲁棒性的理论解释,并为细胞周期、细胞命运决定、干细胞重编程等生物问题提供了新的定量的视角。他们还用统计物理的思想方法研究生物网络拓扑结构和功能的关系,找出了其中具有普适性的设计原理。

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汤超在学术会议上作报告

理论生物学中心的发展得到了各界的肯定和赞誉,不仅被评为第一批教育部创新研究团队,还成为2007年国家自然科学基金委员会支持的首个“交叉学科”创新研究群体;2008年,又得到北京市重点学科建设对于交叉学科的支持。

“两个小孩一个初中一个高中,回国对他俩来说牺牲很大,但他们还是跟我回来了。”“妻子除了觉得北京的空气有些差以外,没有其他怨言了。”家人的支持更让汤超全身心投身于国内交叉学科的建设。

培养有“科学品味”的交叉学科人才

汤超把导师卡达诺夫既自由宽松又严谨深入的培养理念“复制”到定量生物学中心和北大-清华生命科学联合中心的学生培养、科研人才管理与招生等各个方面。

他多次用“科学品味”形容对学生的要求。“科学品味是对科学问题的敏感性,知道如何提出一个好的科学问题。”在他看来,自由宽松的氛围还有助于孕育思辨精神、对科研的热情,这些与知识技能同等重要。

“每周固定讨论一篇别人的文章,大家一起评价这个研究做得对不对,解决了哪些问题,有没有意思,这些都是提高科研品味的过程。”

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汤超与全职回国后培养的第一批博士生合影

两个研究中心为创新型跨学科人才成长提供了“宽松优质的土壤”。不去计较文章发表,采取五年一次的评估制。在汤超看来,这样的制度可以让大家静下心来思考一些长远的、有意义的工作。

没有专业限定,没有年龄限制,也没有考试……生命科学联合中心看似“自由放任”的招生模式实则严格苛刻。没有专业限定,是希望将学生招收背景扩大到生命科学之外;没有年龄限制,不局限于应届本科生,更利于发现更多有经验的人才;没有考试,则意味着新的评价模式——学生由很多PI面试,需要回答涉及面极广的问题——这样对学生素质有更准确的了解和把控。“希望把学生从考试中解放出来,培养他们发现和解决问题的能力。”

这几年,担任前沿交叉学科研究院执行院长的汤超,更是将自己的理念扩展到更广的领域。研究院10个中心涵盖数学、物理学、化学、生物学、医学、工学等学科的众多交叉研究领域,聚集了一大批学科带头人和年轻学术骨干,在开展各项前沿问题研究与科学技术攻关方面取得一系列重大研究进展。

研究院各中心每年均有大量研究成果发表在各类学术期刊。各中心先后承担“863计划”“973计划”“国家自然基金”“国家重大科技专项课题”等数百项国家级、省部级科研项目,获得多项国家自然科学奖和国家技术发明奖。

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汤超与学生

“实现真正的学科交叉要做的事情还很多。”汤超的探索之路从未停歇,“希望有一天我们的学科概念更加淡化,各个学科彻底打通,沟通更加通畅,甚至不需要设立交叉学院这样的机构。”

到那时,“什么是生命的数学语言”“什么是生命的物理”或许就“不是问题”了。

人物简介:

汤超,北京大学物理学院讲席教授,前沿交叉学科研究院执行院长,定量生物学中心主任,北大-清华生命科学联合中心(北大)学术委员会主任。

汤超教授在统计物理、非线性科学、复杂系统、物理生物学等领域开展了许多开创性工作,近年来着力用物理学思想及方法研究生物问题,探索生命系统中的定量规律和设计原理。

2019年11月22日,当选为中国科学院数学物理学部院士。

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