谢晓亮拉曼 专访美国科学院院士谢晓亮、PNNL副主任道格拉斯·雷

2011年5月3日,哈佛大学化学与化学生物学系讲席教授谢晓亮当选美国科学院院士。消息传来,美国西北太平洋国家实验室(PNNL)副主任道格拉斯·雷(Douglas Ray)非常高兴,他说:“晓亮是我的朋友,他做出了伟大的工作,我为他感到高兴。”

谢晓亮是单分子生物物理化学和相干拉曼散射显微成像的开拓者之一,他的研究为生物医学开辟了崭新的途径。他的研究事业起步于PNNL,也是该实验室聘请的第一位中国籍科学家。

谢晓亮工作过的PNNL创建于1965年,现有员工4000多人,2010年预算为8.55亿美元。PNNL为何能造就谢晓亮这样的科学精英?在最近《科学时报》对雷和谢晓亮的专访中,二人谈到了PNNL对基础研究和科研人才的支持。

使命演变

“我深深地喜欢基础研究,能在PNNL开始我的职业生涯,我感到自己太幸运了。这里的人让我自由地做我喜欢的科研,不用担心经费问题。如果我是在大学里开始我的事业,我可能不会去做那么难的工作,也就不会有今天的我了。”谢晓亮说。

在一个以目标驱动为中心的国家实验室,自由从事自己热爱的研究,谢晓亮的幸运有着天时、地利、人和的时代背景。

PNNL位于美国华盛顿州东南部哥伦比亚河和亚基马河交界的沙漠地带,在第二次世界大战“曼哈顿工程”里生产美国原子弹核材料的汉福德基地的基础上建成。PNNL最初的任务是从事原子弹核材料生产的研究,20世纪80年代末开始从事基础研究。

汉福德基地创立于1943年,这里建造了世界上第一座钚生产反应堆,为美国的核发展立下了汗马功劳。然而核材料的生产也严重污染了环境,能源部从1977年开始接管基地,1987年,最后一个核反应堆停止运行,汉福德成为美国埋藏核废料最多的地方。

20世纪80年代末开始,联邦政府每年投入20亿美元用于汉福德基地的核废料处理,这也成为世界最大的环境治理项目。PNNL的工作重点也从核材料的研制转移到环境科学,包括核废料的迁移与储藏等。

1986年,PNNL时任主任威廉·威利(William R. Wiley)和他的团队讨论,国家面临严重环境问题,实验室应如何迎接挑战?这些思考出现在美国科学院的报告《化学中的机会》中,报告提出了与能源环境相关的几大科学问题,同时建议调整国家实验室的使命以迎接新的挑战。

这种转型的结果是能源部所属国家科学用户平台——环境分子科学实验室(EMSL)在PNNL的创立。威利相信,对现象背后分子过程的认识和控制,是解决环境问题的关键。EMSL将擅长计算机模拟分子过程的理论学家与物质科学、生命科学领域的实验科学家聚集在一起,给他们配备最好的装置、设备,营造出最好的合作氛围。

在创建国家科学平台的同时,威利和他的团队已经开始为基础研究的开展作准备。他们邀请了杰出的资深科学家规划和领导实验室的研究项目。1989年,他们从耶鲁大学请来了史蒂夫·科森(Steve Colson),负责环境分子科学实验室科学部的科学项目,每年给他250万美元研究经费供他自由支配。

科森选拔了一群优秀的年轻科学家组成团队,这其中就包括雷和谢晓亮。这批年轻人后来都得到了能源部长期经费的资助。

雷于1985年在加州大学伯克利分校获得化学博士学位,之后在美国天体物理联合实验室(JILA)做博士后,1990年加入PNNL。“初到PNNL,我们都被鼓励作最前沿的基础研究。我的工作是用激光光谱从事表面科学研究。”

寻找最好的人

“科森选拔人才的理念是寻找世界上最好的天才,帮助他们建立团队,给他们最好的支持,再向他们提出挑战,看他们是否能迎接挑战。”雷说。

PNNL最初找的人并不是谢晓亮。

PNNL当时想邀请加州大学圣地亚哥分校教授约翰·西蒙(John Samon)加入,但西蒙却推荐了自己的博士谢晓亮。谢晓亮1984年在北京大学化学系获得学士学位后,赴加州大学圣地亚哥分校跟随西蒙攻读博士,1990年获博士学位。之后他在芝加哥大学教授格雷厄姆·弗莱明(Graham Fleming)的实验室做博士后。

PNNL于是转而邀请谢晓亮来面试。在面试时,谢晓亮提出要作室温下的单分子光谱成像研究,但这并不是实验室的方向,实验室希望他用超快激光研究生物系统和复杂环境系统的行为。

雷是当年谢晓亮面试委员会成员之一,他说:“他提出要作的研究,在当时是一个难以置信的大胆想法。但他如此优秀,又受过很好的训练,我们相信,如果有人能做出这个技术,这个人就应该是他。因此科森决定聘请他。实验室为他建立了研究团队,提供所需要的研究资源,推动他的发展。晓亮最终成功了,这是他的第一份工作,这是一个伟大的开始。我们为他高兴!”

然而,成功是来之不易的。科森用自己的研究经费支持谢晓亮,告诉他可在业余时间作单分子光谱研究。

为了竞争世界第一的位置,在最初一年多的时间里,谢晓亮和自己的第一个博士后鲍勃·邓恩(Bob Dunn)没日没夜地做实验,却还是没能抢先。“1993年10月,在加拿大温哥华的一次会议上,贝尔实验室宣布自己做出了这一技术。当时我在听众席上,失望极了。”悲伤的谢晓亮走出会议厅,打了两个电话,第一个打给邓恩,第二个打给科森。

科森在电话那头说:“这有什么关系?这只不过是一个技术,还会有其他技术。最重要的是你能用这个技术做出什么科学。”

“这是我一生中得到的最重要的建议。这以后,我和学生一直在想,如果有了新技术,应该怎么用它来产生新的科学或发现。”在贝尔实验室的论文发表后几个月后,谢晓亮和邓恩探测室温下单分子动力学的论文发表在《科学》杂志上,这项工作也为邓恩赢得了第一个教授职位。

1998年,谢晓亮和博士后路虹通过荧光探测实时监测到了单个酶分子的随机生物化学反应。这项工作为单分子酶学领域的发展作出了奠基性的贡献,并成为单分子DNA测序技术的基础。

谢晓亮说:“能在PNNL开始我的职业生涯,我觉得自己无比幸运。作最前沿的研究是要出错的,在成功之前,人们需要从错误中学习。实验室为我提供了丰富的资源和合作环境,我感谢科森给我自由研究的机会。他是一个非常明智的人,需要他时,他总是在那里;不需要他时,他也不过多介入。我欠他很多。”

“晓亮是一位优秀的科学家,所有的荣誉都属于他。PNNL只是提供了优越的环境和条件,帮助他实现目标。”雷评价说。

2009年,谢晓亮获得美国能源部欧内斯特·奥兰多·劳伦斯奖。颁奖词中说:“该奖是表彰谢晓亮教授在非线性拉曼显微学和高灵敏度分子振动成像领域的创新研究,在创立单分子生物物理化学领域中的科学领导地位,以及他在酶反应动力学和活细胞基因表达领域中的杰出工作。”

不拘一格用人才

“我花了相当多的时间思考我们的目标是什么?实现这样的目标还缺少什么?我也花了相当多的时间去寻找并邀请优秀科学家加盟。”雷说。

诞生于第二次世界大战“曼哈顿工程”中的PNNL,曾经有非常严格的保密制度,只有持安全许可证的美国公民和持特别安全许可证的外籍人士才能进入实验室。

1992年初谢晓亮加盟PNNL,成为在这里工作的第一位中国籍科学家。如今PNNL已经有了100多位中国籍科学家和博士后,为什么国家实验室会聘请外国籍科学家?

“我们所作的基础研究大部分是公开的。我们的科学和技术目标要求我们必须建立一支最好的团队。最好的人才可能出现在世界任何地方,所以我们在全球范围内聘请人才,不只局限于美国公民。”雷强调,人才聘请的国际化不是PNNL的独特做法,美国的其他实验室也正在全世界聘请最优秀的人才。

在PNNL做了10年的一线科学家后,雷走向了科研管理岗位,先后出任过EMSL副主任、PNNL基础科学部副主任、化学科学部主任、PNNL首席研究官员。2006年8月,他接替退休的科森,出任PNNL主管基础研究的副主任。

PNNL基础科学部有400多位员工,年度研究预算为1亿美元,通过对生物科学、化学科学、计算科学、环境科学和材料科学5大领域的研究,推进对复杂物理、化学和生物学系统的基本认识,为国家安全、能源和环境领域的关键挑战提供科学解决方案。

目前,雷最重要的工作是建立一支合适的研究团队从事世界领先的工作。2010年5月4日,PNNL综合催化研究所迎来了新所长——德国慕尼黑工业大学的奥地利籍化学家约翰尼斯·林奇(Johannes Lercher )。

为了更好地集中力量致力于有助国家能源安全的核心科学问题,PNNL希望整合现有的研究资源,建立一支世界顶尖的催化研究队伍。在分析评估了现有的研究能力和人力资源后,他们决定去请林奇。“PNNL有100多位催化科学家,他们中不止一人推荐了林奇教授。”

现在,林奇并非全职在PNNL工作,他仍是慕尼黑工业大学的教授。PNNL认为,这样的安排有利于拓展实验室研究人员的国际合作。

研究与合作

雷认为,国家实验室的研究使命和大学不同,二者研究的模式也不同。国家实验室以目标任务为中心,组成多学科团队,强调合作;而一般情况下,大学里的研究小组以独立研究人员为中心,成员都有类似的背景,比如都是化学家或物理学家,他们的目标是发展学科前沿和培养研究生。

这种合作不仅存在于实验室内,还有实验室之间跨越机构和国界的合作。比如 ,PNNL和中国科学院多个研究机构在能源环境研究领域建立了合作关系,

2007年,PNNL和中科院山西煤化所、大连化物所三方共同成立了清洁能源国际合作共同体(ICCE),开展清洁能源科学方面的研究。

在过去6年间,雷已经多次造访中国。为什么要促进国际合作?雷认为:“我们有相似的科学目标和技术目标,面临相似的问题和挑战,合作将双方的研究能力结合在一起,可以更快地实现目标。2005年11月我第一次访问中国时,遇见了一些非常具有创造力的优秀科学家,他们承诺要做最好的科学家,给我留下了深刻的印象。”

谈到与中国研究机构合作中的困难,雷表示,最大的问题是中国科学家有时很难获得美国签证,另外美国和中国的知识产权保护体制有差别,所以双方的合作主要集中在不涉及商业利益的环境和能源基础研究领域。

招收来自世界各地的博士后,是PNNL开展国际合作的另一种模式。雷说:“PNNL目前有200多位博士后,他们对PNNL来说非常重要。这些年轻的科学家带着新想法和热情来实验室,实验室与他们签订临时工作合同,他们有很强的动力在两三年的时间里作出优秀成果,为自己寻找工作作准备。当他们在新的地方开展工作后,就会与PNNL建立新的联系。

的确如此,北京大学化学与分子工程学院院长吴凯20世纪90年代曾在PNNL做博士后,现在也正与PNNL商讨新的合作。

雷最后表示:“当选美国科学院院士是科学家最崇高的荣誉之一,晓亮的事业始于PNNL,说明这里是从事科学研究的最好地方。这将帮助我们继续吸引世界最优秀的人才。我们欢迎来自中国的科学家和博士后,如果他们的研究兴趣和实验室的方向一致,他们会发现这里有极好的机会。”