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第一次做出科学发现是什么感觉?她说:这是最孤独的时刻丨展卷

Hope Jahren出生于美国明尼苏达州的寒冷小镇。幼年,她在父亲掌管的社区学院实验室玩耍,陪伴能干而严厉的母亲种菜和学习英语文学。读本科时为了支付学费,她打了十来份工,最终进入研究型实验室求学打工、获得学位、拿到教职,从零开始搭建自己的实验室。她曾三获富布莱特奖,斩获两枚地球科学领域的青年研究者奖章――到目前为止,仅有四名科学家获此殊荣,她是其中唯一一位女性。

Jahren说,“我在实验室工作了20年,留给我的就是两种故事:不得不写的故事和我想写的故事”,“然而,到目前为止,我都找不到一份学术杂志,能让我说说科研背后的努力和艰辛。”2016年,她出版了自传《实验室女孩》,记录了友谊与爱情,生活与事业,都不能与“实验室”相分离。这本书诗意而优美,荣获多项图书奖,今天的展卷专栏特摘选Jahren读博时研究美洲朴种子的人生体验片段,以飨读者。

本文经授权摘选自生物地质学家Hope Jahren的自传《实验室女孩》(北京联合出版公司),标题为编辑所加。前往“返朴”,点击文末“原文链接”可购买此书。在“返朴”点击“在看”并发表您的感想至留言区,截至2021年3月13日中午12点,我们会选出5条留言,每人赠书一本。

撰文 | Hope Jahren(挪威奥斯陆大学教授)

译者 | 蒋青(中科院南京地质古生物所助理研究员)

使自己成长为一名科学家需要耗费很长时间。风险最大的步骤是,你得明白什么样的人才是真正的科学家,然后向着通向这个方向的独木桥摇摇晃晃地踏出第一步。这座独木桥以后会变成一条大道,会变成一条高速路,也许有一天还会指引你找到归宿。一名真正的科学家不做别人安排好的实验,她会设计自己的实验,从中获得全新的知识。这是从“照别人说的做”到“告诉自己怎么做”的蜕变,这种蜕变通常发生在你攻读学位、撰写论文的过程中。从各方面看,它都是一个学生所要处理的最困难、最可怕的事。做不了或不想做的人都会被淘汰出局,退出博士项目。

就在成为科学家的那一天,我站在实验室看太阳升起。我确信自己发现了不同寻常的东西。我等着全新的一天嘀嗒指向一个合适的钟点,好让我打电话告诉某个人我的发现,尽管我不太清楚应该打给谁。

我读博期间研究的是一种学名为 Celtis occidentalis 的树,也就是人们熟知的美洲朴。它遍布北美洲,其貌不扬,和香草冰激凌一样随处可见。美洲朴是北美本地物种,如今广泛种植在城市中。欧洲人征服新世界时造成了不计其数的损失,美洲朴的种植则是弥补这些损失的一种应对措施。

芝加哥大学的美洲朴。by Adam Shaw (来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Celtis_occidentalis 图片为编辑所加)

数百年来,甲虫和人一样,从欧洲移民到美国,走下船舶和码头,登陆新英格兰的港口。1928 年,一种长着六条腿的强壮甲虫,把自己藏身在无数榆树的树皮下,离开荷兰,去开拓新的疆域。这一期间,它们把一种致命的真菌带进每一棵树的输导组织。这些树不得不逐一关闭自己维管系统中的管道,以减少感染。然而尚未使用的养分还贮存在树的根系中,所以它们这样做会把自己活活饿死。直到今天,荷兰榆树病仍然在美国和加拿大的土地上肆虐,每年致死榆树数万棵,总致死量已达数百万之巨。

而美洲朴鲜有敌手。人们发现,它既能抵挡早期的霜冻,又能忍受晚期的干旱,一年下来甚至连叶子都少不了几片。榆树能长到20米高,而接替它们的美洲朴只有10米高,永远都没有办法长得像前者那么雄伟。后者只向周围索取适量的东西,向我们收取适度的敬意,谦卑得如同它们的身形。

我对美洲朴感兴趣,是因为它们的果实很奇妙。这些果子貌似蔓越橘,但是如果你捡起一颗并且试图捏扁它,就会发现它硬得像块石头。这主要是因为,它就是一块石头:红色的果皮下有一层比牡蛎壳更硬的外壳。这层木质化的结构是种子坚固的壁垒,帮助它们从动物肚里穿肠而过仍毫无损伤,经历雨淋曝晒也不会腐坏,并且在种子萌发前的数年内与无情的真菌对抗。我们能在许多考古遗址的沉积物中找到大量的朴树果核化石,毕竟每棵朴树一生能结出数百万颗种子。我希望发明出一种方法,让我从这些果核化石中知道间冰期美国中西部的夏日均温。

至少在最近的 40 万年间,冰川都在周期性地从北极向外扩张,然后再回退,进进退退有如钟摆般规律。在北美大平原无冰川覆盖的短暂时段里,植物和动物会迁移、迁徙、杂交、尝试新的食物和栖息地。但在这个短暂时段中,夏天有多热呢?是和今天的盛夏一样闷热吗?还是天气微温,恰好维持不飘雪?如果你曾经在美国中西部生活过,就会明白区分这两种气温条件很重要。对于那些生活在海岸边,以动物皮毛遮风避雨、逐水草而居的人而言,这两者的区别就更大了。

每一颗种子外面包裹的内果皮,都由树的精华凝结而成,我和我的论文导师能够想出特定温度下关于内果皮形成的各种化学反应。我们有关“特定温度下果实‘化石化’”的整个理论是全新的,但它也有些难以捉摸,因为我们还未为一些简单的问题找到答案。我设计了一系列实验,试图把一个大问题分解成一串独立的小任务。第一个小任务就是研究清楚朴树种子到底是如何形成的,以及它的具体组成是什么。

为此,我在明尼苏达州和南达科他州的几棵美洲朴之间来回巡视,对比寒冷和(较)温暖环境下的果实情况。我计划在一年内定期收集朴树的果实。回到加利福尼亚的实验室后,我要把几百颗这样的果实切成如纸片那样的薄片,然后用显微镜照相,再对其加以描述。

当我把朴树的果核放在显微镜下放大 350 倍观察时,我发现它光滑的外表下实则是蜂窝状的结构,其中充填着又硬又脆的物质。我把几个朴树果核浸入一种酸中,观察接下去会发生些什么。如果以桃核为参照,我敢肯定,这些浸泡朴树果核的酸液至少能溶解35立方分米的桃核。填充在蜂窝结构里的物质溶解了,只剩下白色的网眼状格架。而当我把这些细小的白色结构放进真空室并加热到1500摄氏度时,它会释放出二氧化碳。这说明,白色格架中一定含有有机物――真是又一层谜一样的物质。

一棵树会长出一颗种子,先在外部纺出一层线网,再在这层网的外面套上一层骨架,最后还要往网眼里塞入桃核一样的成分。完成这些工序后,树就为种子提供了保护,给予它更好的萌发成材的机会,恐怕还能保证它顺利拥有90代树子树孙。如果我们想从这些种子化石中得到一些长期的气候资料,那么很显然,这个白色网眼格架就是保存信息的保险柜。一旦知道种子这个最基本部分的组成,我就能步入正轨。

正如每种岩石的形成过程各不相同,每种岩石的崩裂分解过程也迥然各异。从岩石中辨别出不同成岩矿物的方法之一,是把一块样本充分捣碎再暴露在 X 射线下。只要拿近了看,就会发现盐罐里的每一粒盐都呈现为完美的立方体。如果接着把其中的一粒碾成极细的粉末,那其实也是把它分成了千百个更小的完美立方体。盐永远保持立方体,因为组成纯净食盐的原子互相绑定成化学键,搭成正方形的晶格,由此形成了数不尽的立方体。这个结构的任何裂痕,都会沿着化学键的薄弱点断开,从而碎出更多的小立方体。其中,每一个原子的排布都是体内最小结构单元的重复。

不同的矿物具有不同的化学式。一个化学式可以反映矿物所含的原子数目和种类,还可以告诉我们这些原子是如何结合的。即使矿物被碾成细粉,不同的矿物也会从形状上反映出各自的区别。如果有人能观察到一小撮矿物粉末的细小形态――哪怕是一块成分复杂的丑陋岩石的异质性粉末――就能据此推理出它的化学式。

但是,如何才能看清这些细小晶体的形状呢?海浪撞上灯塔时,会生成一道反向传播的涟漪。这道反射波纹的大小和形状,同时负载着海浪和灯塔的信息。如果我们坐在远方一条抛锚的小船上,假设我们对撞击海浪的规模、能量、发生时间、行进方向都了如指掌,那么我们就能从反射波掠过船的形式,推断出灯塔的底座是圆是方。这和我们推断细小矿物粉末形状的工作很相似:只要用X射线这样的短波电磁波产生反射波纹,即发生“衍射”就可以。胶片能记录下波纹的峰值,而这些纹样的间隔和频率,就能让我们重建使它们折返的障碍物的形状。

X射线衍射实验室在学校的另一头,从我的实验室过去需要穿过整个校园。1994 年秋天,我获得许可,得以在这个实验室里使用一段时间X射线源。我非常期待去那里做分析,这种心情就和看棒球比赛前的快乐期待一模一样:什么都可能发生,但可能要等上好一阵子才能见证真相的揭示。

我考虑再三,最终决定预约晚上的时间段使用机器,但也许不是最好的选择。有个奇怪的博士后在那个实验室工作,他为人阴沉,让我很不舒服。我见过他因为被看了一眼或有人问他一个小问题而大发雷霆,还特别喜欢吓唬那些进入他“势力范围”的落单女性。于是我陷入了两难境地:如果白天去实验室,肯定会撞见他,但也许周围会有其他人给我当“肉盾”;如果晚上去,很有可能可以独享实验室,但如果不巧他来了,那我显然是个活靶子。最终,我申请轮午夜的班次,并且随身携带一把19.05毫米的棘轮扳手。其实我不知道,如遇万一,我该怎么拿扳手防身,但只要感受到它在我衣服后面口袋里的分量,我就会安心很多。

到达X射线衍射实验室后,我先把一块玻璃载玻片放到桌面上,再往上面盖一层环氧树脂固定剂,然后把研磨好的朴树果核粉末撒上去。我把薄片放入衍射仪,小心地调整所有东西的朝向,随后打开X射线源。我接上记录纸带,默默祈祷看不见的墨盒里墨水够用,希望它可以坚持用到记录完整个程序。接下来,我就只能坐着慢慢等了。

当一个实验做不成的时候,往往搅得再天翻地覆也还是不行。同样,有些实验却是你想搞砸都砸不了的。无论我重复测量几次,X射线仪读出的衍射角度都会在同一个地方出现一个清晰且明确的峰值。

我和我的导师本以为会看到一个陡然拔高的明确峰值,这与我们现在看到的绵长、低平的墨线截然不同。它清楚地表明:这里的矿物是蛋白石。我呆立着,紧盯着读数,心里知道自己不会、别人也不会误解这个结果。它是蛋白石,而且我以前听说过它。我可以牢牢锁定并证明它是实际存在的。我看着图表,心想:一小时前还完全不知道的东西,现在已经确切知道了。我回想这个过程,慢慢领会到我的生活刚才发生了怎样的改变。

这些粉末的成分是蛋白石!我是这个无限膨胀的宇宙中唯一知道这件事的人!这个辽阔、宽广的世界有着多到难以想象的人,而我――尽管渺小,尽管不完美――却是特别的。我不仅是一束奇异的基因,还是存在主义意义上的独特个体,因为我发现了创世以来的微小细节,因为我看到和领悟到的东西不曾有人发现。蛋白石就是加固每一粒朴树种子的矿物成分!在我打电话告诉别人之前,这份实在的知识是为我一人持有的私有物。这个知识是不是有价值是另一个问题,可以留待以后讨论。我站在那儿,消化这份天启,我的人生掀开了新的一页。我的第一个科学发现熠熠生辉――毕竟,就连最便宜的塑料玩具,新出厂时也会闪闪发亮。

我只是一个访客,所以不会触碰实验室里的其他东西。我只是站立着,望向窗外,等候太阳升起,直到几滴泪水滑过我的脸庞。我不知道自己哭是不是因为仍未为人妻、未为人母,又或者因为自己缺乏作为女儿的感觉――抑或是因为记录纸带上那条完美曲线所展现的美,而且我永远可以指着它说:这是我的蛋白石。

我以往的工作都是为了这一天,等的也是这一天。解开这个秘密后,我也能证明一些东西,至少最终让自己明白:真正的研究是什么样的。但是,这个时刻既令人心满意足,也同时最让我感到孤独。在某一个更进阶的层面,意识到自己能开展好的科学研究的同时,我也明白,最终,我永远没有机会变得和自己认识的任何一个女性一样,我将无例可循。

在那之后的几年中,我将在自己的实验室为自己构筑起全新的“正常”形象。我将拥有一个兄弟,他比我的任何亲生兄弟都更亲:无论早晚,一天中的任何时间我都可以给他打电话,和他聊的话题也可以比我和任何同性朋友聊的都羞于启齿。我们会乐此不疲地向对方展露自己的异想天开,不停地提醒对方“你真是个活宝”。我会培养新一代学生,其中一些只求引人注目,但也有少数几个能开发出我在他们身上看到的潜能。但在那个夜晚,我只是用手掌抹去脸上的泪滴。竟然为别人看来无关紧要或者极其无聊的事情流泪,这令我难堪。我凝视窗外,看着清晨第一缕阳光洒向校园。我不知道,世界上还有谁见过如此美丽的日出。

那天中午之前,我就知道会有人告诉我:你的发现并不特别。事实上,确实有一位比我年长和睿智的科学家告诉我,他以前就预测到过我现在发现的东西。当他向我解释,我观察到的东西并非真正的天启,只是印证了一种明显的假设时,我礼貌地聆听。他说什么都没关系。没什么能改变发现一个秘密后又可以短暂持有它的那种铺天盖地的甜蜜――就在刚才,宇宙把这个秘密给了我!我有一种直觉,既然它给了我一个小秘密,那么总有一天它还会给我一个大秘密。

当朝阳把旧金山海湾的雾气染成红霞,我也摆脱了低迷情绪。我走回平常工作的那幢楼,准备开始新的一天。清冷的空气中有一股桉树的香气。后来,这种味道也总能让我记起伯克利。这时的校园仍是一片死寂。我走进实验室,惊讶地发现灯还亮着。接着我看见比尔,他正端坐在房间中央一把旧的草坪躺椅上,一边收听着他那台小收音机里剌剌乱响的聊天节目,一边盯着空空的墙壁发呆。

“嘿,我在麦当劳的垃圾箱里找到了这把椅子,”他对步入实验室的我说,“看着能用。”他仍然端坐在椅子上,带着满意的神情打量着这把椅子。

见到他,我真的非常高兴,我还以为要再独自度过至少好几个小时才能等到可以说话的人。

“我喜欢它,”我对他说,“能躺着坐吗?”

“今天不行,”他说,“明天也许行。”他想了想又加了一句:“也不一定。”

我站在一旁,思忖着,怎么从这家伙嘴里冒出的每句话都有点儿怪。

我不顾自己北欧人的天性,决定把我迄今做过的最重要的事情告诉他。“嘿,你见过蛋白石的X射线图吗?”我抓着自己的读数条问他。

比尔把收音机够到自己身前,抠出9伏电池,直接让它闭嘴――收音机的开关键早坏了。然后他抬头看向我。“我就觉得在这儿坐着会等到什么,”他对我说,“原来等的是这个。”

发现朴树果核中含有蛋白石后,我的下一个目标是识别出一种方法,计算出蛋白石在种子中形成时的温控条件。组成朴树种子格架的物质确实是蛋白石,但填充在空隙中的酥脆矿物却是一种名为文石的碳酸盐,蜗牛壳中也含有这种成分。我们很容易在实验室中用沉淀结晶法制备纯净的文石。把两瓶过饱和溶液混合,澄清的溶液中就会沉积出大量晶体,就像云中凝结的雾滴。晶体的同位素化学性质严格受控于温度,这意味着,只要测量单个晶体中的氧同位素指纹,我们就可以求出溶液混合时的准确温度。如果让我在实验室里做这个,那么做一百次都不会失手,因为实在太简单了。我的下一个任务是证明该形成过程也能发生在树木体内,还要证明即使发生在果实中,即使让文石晶体成形的溶液是树的汁液,整个过程也基本相同。

指导我的教授把这个想法写成了一份15页的申请,投给了美国国家科学基金会。负责审阅的同行喜欢这个点子,于是我们拿到了基金。就这样,1995年春天,我重回中西部,为了完成研究而寻找合格的朴树。我选中了三棵已经成年的美洲朴,它们生长于南普拉特河(South Platte River)岸边,就在科罗拉多州的斯特灵城(Sterling)附近,在距离它们不到一天车程的地方有一个住处,那儿的朋友一直欢迎我去。这个地方拥有全世界最蓝最广阔的天空。在那样的天空下,我思索着如何把河流的成分和夏日的朴树种子成分联系起来,计算出这个季节的平均温度。对获得成功满怀信心的我,用警戒线把三棵树围起来,开始像准爸爸般密切地关注它们,因为期望宝宝降生而欣喜,却只能眼巴巴地旁观。我也像准爸爸一样,在忙碌中心存困惑:因为在那个特别的夏天,三棵美洲朴都没有开花结果,周围的朴树也没有。

在这个世界上,没有什么事情能像纠结于“树为什么不开花”这个问题那样暴露人类的无助和愚蠢。不习惯与人亲近?什么话!它们到最后都不愿意按照我的设想开花结果,实在太难以令人接受。我去找自己在科罗拉多州洛根县(Logan County)唯一的朋友巴克(Buck)分析情况。巴克在高速路岔 路口的一家酒吧工作。坦白说,我去那里,与其说是为了喝啤酒,还不如说是为了吹冷气。但巴克还是检查了我身份证上的出生日期。他不情愿地承认,我“作为一个老女人保养得很得法”,我把这句话当作邀请,之后开始频繁进出这家酒吧。夏天慢慢过去,巴克也越来越困惑,因为我押宝美洲朴的赢面还不 及他刮彩票中奖的概率。不过,尽管我以前很可笑地给他宣讲过彩票统计学,他也忍住了没有刮我鼻子。

巴克在附近的一个农场长大,因此我心里有种说不清的感觉,仿佛他是这一整场美洲朴不结果灾难的同谋,或者至少他该为此担负一定责任。“可是为什么它们不开花?为什么偏偏是今年?”我催促巴克回答这两个问题。我仔细研读过这个地方的气候资料,并没有发现今年的天气有什么特殊之处。

“有时候就是会发生这种事。这儿的什么人本该告诉你这个。”他话语里的同情都是冷冷的。牛仔很少这样说话。

我确信,这些树的表现预示着我未来事业的曲折。我很恐慌,想象自己站在流水线旁,拔掉肉猪分尸后猪头脸颊上的猪毛,拔完一个又来一个,拔完一个又来一个,每天工作6小时,就像我童年伙伴的母亲一样,循环不止地工作20年。“那还不够,”我回答道,“肯定有原因。”

“树不需要理由,它们就这么做了,就这样,”巴克突然拔高音调,“实际上它们什么都没做,它们不过是树,不过是树罢了。妈的,它们又不是什么活物,又不像你和我。”他最终还是受够了,我和我的问题惹恼了他。

“我的老――天――爷――啊,”他倍感受挫,又加了一句,“不过是树罢了。”

于是我离开了这家酒吧,再没有回去过。

回到加州时,我的心中充满了失败的苦涩。“瞧,如果我有辆车,而且我能把它开过康科德大桥(Concord Bridge),我就会说,让我们放火烧了其中一棵树,”比尔一边说,一边用实验室的漏斗把乐事薯片袋子里剩余的残渣集中起来,“我们要让其他树都看着,等烧一会儿再问问它们,是不是还不想开花。”

比尔已经是我导师实验室的固定成员。他会在每天下午4点左右出现,然后在实验室里待上8到10小时,具体时间依他的精力状态和我们的需求而定。我们一周只付他10小时的工资,但他不计较这个。而且令人意外的是,他很乐意在每天晚上我们一起工作时,听我花大把时间念叨我的树。我最后一次去往科罗拉多前,比尔撺掇我买一把BB枪,花几个下午打这些树的叶片和树枝。

我拒绝了,并且对他说:“我不同意的理由,不是我是个种树的,而是我觉得这法子没用。”

“但能让你好受些,”他很坚决,“相信我。”

在科罗拉多的那个夏天,我收集数据的计划彻底破灭,但这整件事教会了我对科学的最重要理解:做实验不是为了让全世界按你设想的运转。到了秋天,我一边舔舐自己的伤口,一边从这场灾难的瓦砾堆中制定出一个更好的新目标。我要用一种新方法研究树木,不是从外及里,而是由里到外。我决定了!我要研究清楚它们为什么不开花,试着了解它们生命运作的逻辑,这样就能让它们更好地为我所用。与按照我自己的逻辑行事相比,这么做是更佳的选择。

从过去到现在,小至单细胞微生物,大到恐龙、雏菊、树木、人,为了延续下去,地球上的一切生命都必须完成 5 件事:生长、繁殖、修复、储能和自御。25岁时,我就已经预见,自己将在生育孩子这件事上经历坎坷,甚至都不会真正经历到。让生育力、资源、时间、渴望和爱情集中在我头上简直无法想象,尽管大多数女性最终都会步入这样的轨迹。在科罗拉多,我只关心那些树没表现出的状态,却没有观察它们在做什么。那个夏天,开花结实这类事肯定让位于其他事了,而我却没有注意到。树木当时一直在做某事:当我开始正视这个事实时,我就离问题的真相不远了。

形成一种新的思维模式已经是当务之急:也许我可以学着像植物那样看世界,把我摆在和它们一样的生境中,思索它们的运作机制。作为离它们世界最近的局外人,我能离它们的内部世界多近呢?我开始想象一门全新的环境科学,它所基于的世界,不是一个从我们的角度出发、存在着植物的世界,而是从植物的视角出发、存在着我们的世界。我想到自己工作过的各个实验室,想到那些给我带来过许多欢乐的美妙仪器、试剂和显微镜……我到底可以为以上那种古怪的探索诉求创建出一门怎样的“硬科学”呢?

这种探索方式奇异变态得魅惑人心;除了担心“不够科学”之外,还有什么能阻止我吗?我知道,如果我告诉别人我在研究“当一株植物是什么感觉”,那么一些人会取笑我,另一些人恐怕会跟着我一探究竟。也许,扎实的工作能够稳固尚不坚实的科学地基。我觉得不确定,但这是我第一次感受到甜蜜的刺痛,而这种既紧张又兴奋的感觉将伴我一生。这是个新点子,我的第一片真叶。就像世界上所有大胆的幼苗一样,我将继续前进,从无到有地创造它。