刘建全教授：科学研究的几点体会

未知 2020-03-31 09:11

刘建全教授：科学研究的几点体会

“大家治学谈”栏目中，兰大很多知名学者和校友，谈了他们做科研、治学的经历、经验和感悟，都是“高屋建瓴”的总结和概括，非常值得我和同学们学习，也给我非常多的启发。我这里”班门弄斧”谈几点自己从事进化生态学研究的粗浅体会，供同学们疫情时期、在家学习之余参考。

一、阅读经典和前沿研究报道相结合

科学研究都是建立在前人研究基础之上的。没有基本的知识积累，就对学科前沿和存在的关键科学问题看不明白。基本知识主要来源于我们的教科书（经典专著）和前沿研究论文。但是，只读教科书（专著）或只读前沿研究文献，对于重要的科学问题理解不透彻。因此，手上可以常备几本专业密切相关的国际经典教科书或专著，经常翻翻，至少有如下两方面的好处。一方面将自己的学科知识不断系统化，对于学科知识全面吃透，能快速理解透彻前沿研究报道。另一方面将前沿研究成果和已有的知识体系联系起来，想明白这个前沿研究工作到底补充了已有知识体系的哪些缺陷，或者推翻了哪些认知。

生态学领域目前开展的很多前沿研究，或者还没有解决的重大科学问题，实际上在这些教科书或经典专著中都存在。现在进化生态学里面一些经典的科学问题，如：生态系统如何平衡？生物多样性如何形成与维持？什么是物种？物种以及种下等级如何命名等？亲缘关系树（系统发育树、基因树或生命之树）如何构建及其应用和意义？等等。这些科学问题，160年前在达尔文的《物种起源》以及现有教科书中都有详细的阐述。在不同历史时期，手段和方法更新推进了这些科学问题的理解；但是，目前为止，仍然没有完全解决。深入理解这些科学问题和知识背景，除了对自己的具体科研有很大促进外，将来工作时，使用和向其它人讲授这些知识时也会得心应手。进化生态学的概念和知识不仅贯穿我们的生活，而且很多时候还有极其重要的作用。新型冠状病毒的分类命名、溯源、危害性、预防、爆发和传播等，都是这些知识的实践应用或者说急需解决的具体科学问题。

要养成每天阅读前沿研究论文的习惯。不仅要关注Nature, Science, PNAS等这种综合性明星杂志上的研究论文，更要阅读自己专业杂志的文章。很多学科突破性的技术、方法和概念都发表在专业杂志上。哪来这么多时间阅读这些论文？在开始阅读杂志前沿研究文献的前半年，可能都存在时间不够的问题,因为基本知识掌握不全、科学问题理解不透。随着知识积累，每篇文章可能只需看标题、图表和摘要，几分钟就能知道：该文章针对什么科学问题，采用了什么方法和数据，有何种突破，也能判断为何该文章值得在该杂志上发表。日积月累，就能对学科领域中的前沿研究进展有比较深刻的认识，再结合自己的具体研究，才能设计出高水平的研究课题，取得一定的科学成绩。

二、野外考察与室内研究技术同等重要

进化生态学是一门实践性非常强的学科。既需要从野外收集数据，也要把研究结果最后放在自然生态系统中去验证。过去的近30年，每年我都坚持至少一个月的野外科学考察，考察过西藏、青海、新疆、甘肃的每个县，以及四川、云南等省的大部分县区。野外科考中，不仅收集到了研究材料和研究数据，更是体会到如何将书本知识和纷繁复杂的自然现象相结合的研究乐趣。身临其境更能激发研究兴趣和研究灵感。我自己的很多课题和研究设计都是来自野外科学考察。当我见到沙漠矗立的胡杨林时，就想知道为何它能如此抗旱；当我看到体型巨大、奔跑在青藏高原的野牦牛时，总想知道这么凶猛的动物，我们的祖先是什么时候开始驯化的？驯化后又导致了哪些基因的变化？驯化牦牛是否或者如何导致了青藏高原高寒草甸生态系统的转变？当在青藏高原多地考察时，看到无论大树、还是小草，定名的物种总是在不同的个体中存在变异，从而理解了为何160年前的达尔文以及21世纪的Science杂志还把“什么是物种”作为没有解决的科学问题；当看到很多形态位于两个物种间的杂交个体时，才知道如何去理解教科书上的“生殖隔离”物种概念；而这种兼具两个物种形态特征的第三种出现在独立的地理分布区，我联想到不完全的“生殖隔离”导致的杂交物种形成可能在创造我国青藏高原物种多样性方面发挥了以前没有认识到的更加重要的作用。

有了研究材料和科学问题，室内技术和手段不断更新才能取得更为深入的研究成绩。生态学、生物学领域，发现、归纳和总结的研究成果比较多；因而概念性创新相对比较少。只有很少的像“DNA是遗传物质”“表观遗传学”等才是0到1的新概念突破，更多的是技术和方法的突破，从而创造了新数据，再去解决存在的科学问题，或在技术发展下小概念的突破。对于研究生，应首先鼓励原创性的新概念和新技术的突破。但是，对于进化生态学研究，初期需要掌握的概念和基本知识比较多，需要的时间比较长。在最初的科研学习中可能更多是借鉴其它领域最新出现的新技术和新方法。因此，在室内研究时，就要不断学习新技术和新方法。我自己上个世纪90年代初学习细胞生物学技术、植物生理学技术、木材解剖学等技术，90年末学习分子技术，再到10年前开始学习基因组技术；总是在不断学习新技术和新手段的路上，一旦不学习，就要在多方面落后。近10年来，大数据、大尺度统计分析已经成为生态学研究中不可避免的手段；因此，计算机编程和统计分析成为这个领域不可缺少的基本技能。进化生态学另一个发展方向是向微观发展，是借鉴人类、水稻、拟南芥等模式生物学的新技术，如基因敲除、蛋白互作等手段，来对非模式生物开展研究。这里面不仅涉及到模式生物技术的掌握，更需要在非模式生物中创新性建立这些技术。这些技术的掌握，都需要去学习和掌握。

三、知识逻辑是科技写作的灵魂

科技论文是与同行交流研究成果的最重要的手段。除了科技论文外，一个科技工作者还要写科技项目申请书、工作报告等。对于硕士、博士研究生，硕士、博士论文也是非常重要的科技写作。英语是科技论文发表的通用语言。国内很多科技杂志全转为英文发表或鼓励英文发表。一些同学老抱怨，我写不出来文章，是英文不好。我攻读博士学位的时候，也和我的导师有过类似的探讨。他大学学的俄语，后来自学的英文。他告诉我，写科技论文和科技材料，最关键的是学科知识和逻辑结构，而不是语言是否好。实际上，请一个小说家来写科技论文，肯定是写不好的，因为没有学科知识。英文科技论文写不好，中文科技论文同样写不好。当然，写好英文科技论文，需要具备一定量的英文词汇量和语法知识。即使母语是英文，没有掌握相关的学科背景知识，也没有办法写好和修改科技论文。我曾接触过一位英国某著名大学的大四生物专业的学生；实验做得非常好，但论文写作仍然不到位。实际上，主要是知识背景和关键科学问题认识不到位。生态学和进化生物学的科技论文写作尤其如此。“站得高，看得远”，才能把新取得的研究数据和分析结果，放在整个学科大背景下要解决的关键科学问题中，才能显示出研究结果的重要性。对于生态学以及一些生物学领域的研究，同样的一个研究结果和研究数据，不同的人，写出来的论文，差别非常大。实际上就是同一个现象，看到的问题和所站的学术高度不一样。进化生态学在不同的研究层次，有不同的具体科学问题和不同的视野，没有普适性的科学答案，从而导致科技论文写作的困难性大大增加。

我国中学和大学的考试过程中，选择题、填空题和简答题，占了很大比列，而规范化的论文写作或者说行文逻辑相对较长的写作都非常少。我们所有的研究生开始学习时都要遇到科技写作这一难关。实际上，像施一公这样的清华大学高材生、大科学家，读博士、初入科研行道时，也曾为科技论文写作而烦恼。科技论文写作主要包括三部分：基本格式，学科知识和行文逻辑。基本格式掌握起来相对容易。学科知识需要日积月累，而行为逻辑更是需要勤写勤练。我在获得硕士学位之前，没有发表过论文。尽管满怀信心把自己认为没有错误的硕士论文交到导师手里，但第二天就被叫到办公室，告诉我第一页就发现有基本格式错误，还有几句话看不懂（行文逻辑有问题）；不再看论文了。我只有再反复检查基本格式错误和行文逻辑，以达到导师的要求。反复修改学位论文，实际上也是在提高自己科技写作能力。硕士毕业工作后以及我上博士期间，为了锻炼自己的写作能力，我抓住一切机会练习写作，不仅每年写中文文章，而且导师申请国家基金时，我也主动写个初稿（尽管最后能用的非常少），所在单位的各种科技总结和规划都抢着去帮忙写。这样，到我写博士论文时，就非常得心应手了。写出的博士论文，导师修改的主要是一些行文逻辑表达；当然这部分对于我来说，永远都需要提高。对于英文科技写作同样如此。我记得我第一篇小小的英文科技论文，花了一个月整时间来写。拿到数据之后，反复想，能解决什么科学问题，然后针对问题，做好图表。先用中文把整个文章的框架写好；这个过程实际上就是把科学逻辑理出来。开始写英文的时候，找了不下10篇英文相关文献，放在桌子上，进行模仿和修改，主要是把想表达的中文逻辑，能用英文表达出来；整篇英文文章写好后，再反复修改行文逻辑，让英文读起来更加顺畅。当读的英文文献多了，记住的英文表达格式多了，写起英文科技论文来就不再需要先写中文框架了。但是，把数据“吃透”，把要解决的科学问题想明白，站在什么角度来写，始终成为我开始写科学论文以及各种科技材料的习惯。当然，论文最终的高度，还是取决于在学科视野中所站的高度。

四、勤奋与兴趣相互促进

学科知识、实验技术或计算技能和写作训练是成为一个从事进化生态学“科学工作者”入门的必要条件。我是上个世纪80年代后期上的四川大学，在大学里自认为没有耽误老师上的所有课程，光看成绩，无论是英语还是专业课，也应算优秀学生之一。在大学里也养成了读文献的习惯。但是，进入硕士研究生学习的时候，发现自己真是科学研究的“门外汉”，要技术没技术，“要写作没写作”；上青藏高原也不认识植物。硕士毕业后，至少还工作学习了5年，才觉得做科研有点小感觉。我从读硕士第二年开始，很少休假，都把假期用来学习。坚持了8年后或者10年后，感觉科研才基本入门。我自己是比较愚钝的人。近20年的研究生培养中，我遇到过非常聪明的学生。即使是这些非常聪明的学生，他们也必须保证每周50个小时以上的工作量，至少要5年后，才能基本上算是科研入门。一般的学生，博士毕业后还要5年的继续锻炼和学习才能基本独立，找到自己的科研方向。有些学生，可能毕业10年后，在独立性、学科前沿和科技写作方面还欠“火候”。我和国外的许多同领域的科学家一起进行过合作研究。我发现我所从事科研领域的国际上优秀的科学家以及他们的学生，基本上都是这种勤奋的工作模式。因此，勤奋可能是做进化生态学科研最基本的条件之一。这个学科中的学科知识、数据获得和分析、写作逻辑的培养，需要更长的时间。没有勤奋，可能就很难走进这类科学研究的大门。

科学研究要解决的科学问题无论是大还是小，都是未知的，因此要保持对“破解未知”有浓厚的兴趣和激情，才能支撑每天超过常人的工作强度。“未知”与“变化”交错在一起，在进化生态学和一些生物学研究中经常会遇到这种情况。新型冠状病毒也表现出这样的特点，如：无症状也能传染人；反复检查为阴性，若干天后，又检查为阳性。这里面既有其本身的变化，也有检测时取样位置、实验操作等方面的问题。因此，在进化生态学研究过程中得出可靠的结论，需要不断重复，还不可避免由于多种原因发生错误，或者发生激烈的学术争论。但是探索过程中，“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的魔力正是我对这种研究工作的兴趣所在。进化生态学的很多研究，研究过程和如何推导形成的生物过程，非常类似“侦探工作”。我课题组有个研究工作，断断续续想了近一年，也想不清楚或者说解释不清楚是何种生物过程产生了现在的结果。学生重复了几次实验，都是一样的结果。前段时间，我放下所有的工作，花了3天时间来画图推理，以为找到了正确的答案，非常高兴。但是，过了几天，再回来检查，发现又忽略了一个基本假设；十分生气和难过。但前面的推理过程，启发了我如何找到正确的答案。最后，我又花了一天时间，终于推导出了如何形成现在结果的生物过程。这种“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的过程会反复出现在进化生态学的研究过程中，带来的“研究感觉”也正是科学研究的魔力之一。野外科学考察中，几乎每年都会有这样的情况出现：几天都没有找到的材料，在悲伤着想放弃的时候，突然出现在眼前；那种惊喜比“一年才吃上一次肉”的感觉还好。因此，在科研过程中，要把“发现”“解疑”培养为强烈的兴趣和动力。这种兴趣才能促进勤奋学习和工作；反过来，也只有“勤奋”才能获得更多类似的研究兴趣。

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