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赵国屏:越是重大意外发现 越需要多层次重复

2022-06-28 中国科学报 陈欢欢
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  《自然》曾对1576名研究人员进行过一次在线问卷调查。结果显示,超过70%的科学家在尝试重复别人的实验时失败,一半以上甚至无法还原自己的实验。

  实验重复到底有多重要?为什么实验结果会重复不了?在进行重复实验时要注意什么?中国科学院院士、分子微生物学家赵国屏在接受《中国科学报》采访时表示,越是“重大意外”发现,越需要“多层次重复”。他结合自身经验,提出许多实操建议。

  《中国科学报》:在您所从事的生物学研究中,重复实验对确保结果正确性有多重要?

  赵国屏:可重复的重要性是毋庸置疑的。实验科学区别于其他科学研究的核心,就是在可以控制的条件下,以可以重复的实验方法,去发现或认识物质运动的规律。这里有两个关键词,一是“条件可控”,二是“可以重复”。

  我在大学学电镜的时候,老师给我们看过一张图,可能很多人都看过——《美女还是巫婆》。这张图从不同视角看结论是不一样的。因此,老师说,“看电镜照片,你想看到什么就会看到什么;没有其他相应的证据,仅凭‘看到的结果’不能说明问题。”这也是我们开展实验科学的意义所在,通过多视角、多层次的重复,验证实验所揭示“认知”的准确性、客观性。

  “条件可控”是“可以重复”的前提,在生命科学研究中有多种控制条件的方法。一是隔离,就是把“体内”复杂系统中的某些问题放到细胞、亚细胞或者分子层次上,进行“体外”实验研究。二是设置对照,生命运动涉及因素繁多,且往往互相影响,可以使用“对照”的办法控制条件。但每次只比对一个条件,而且尽可能控制其他条件不变,也不容易。三是正确的检测方法,譬如,尽可能获得定量数据,注意数据检测的线性范围,注意采集序贯而非简单重复数据等。上述三个方面,都是为了在不同层次上保证实验(数据)可以被重复。

  《中国科学报》:虽然重复如此重要,但是《自然》曾做过一次问卷调查,结果显示,超过70%的科学家无法重复别人的实验,一半以上无法还原自己的实验。您认为出现这两种情况的原因是什么?对于重复不了的实验,应该如何理性看待?

  赵国屏:这两种情况比较常见,并不奇怪,但是原因很复杂,可能有多个不同层次的答案。

  需要强调,这种讨论必须首先排除主观的“学术不端”。数据造假或者“刻意”修改数据的“实验结果”自然无法重复。造假是严重的学术不端行为,是绝对不能容忍的,一造假就断送了一生的学术生涯。所以,判定造假需要充分的证据,包括认定“造假动机”。

  不可重复并不意味着一定造假了,也可能是认识不足、方法局限、操作不当等所导致的,常常表现为“不可完全重复”。在生命科学研究中,最常见的原因往往与上述三个“控制条件”不完备有关。这方面我自己就有很多经验教训。

  我的一位学生曾经在体外实验中,“证实”了国外研究者提出的一个调控因子磷酸化的假说,并向期刊投稿。审稿人提出,相应的体内表型数据不充分。该学生因此开始怀疑自己以往的实验结果,在重复实验中发现过去结论是“假阳性”,换了一种方法后,结果正相反。最后,他又用了两年时间,通过结构生物学、生化分子生物学(体外)以及遗传与生理(体内)等实验,综合证明了“不能磷酸化”这个“真阴性”的结果,发表了很好的论文。

  类似的例子很多。检测方法、试剂和样品的取样及存储条件等都会影响实验结果的可重复性。有些生化试剂不稳定,放置一段时间浓度会改变,如果不较准浓度,结果自然无法完全重复。

  再如,实验室测酶活的方法一般都是标准化的,但研究中往往使用突变的酶,活性不是高就是低,并不“标准”。如果不针对具体情况调整检测方法,实验结果也不能重复。

  当然,即便“能重复”的实验,也不见得都是正确的或者“真的”。我的实验室曾经在某“结构域假说”的指引下,认为我们所研究的酶应该是四聚体,并得到了“分子筛”实验测定的分子量证实。但十几年过去,在AlphaFold2指导下,我们预测了三维结构,认识到这个酶应该是二聚体,并被近年发展起来的更精准的测定方法所证实,推翻了自己以前的结论。现在回头看,当时只觉得结果“符合假说”就认可了,没认识到这是由于低分辨率带来的“假象”。现在我们正准备写文章,不仅纠正过去的错误,更将为这一大类酶结构功能的关系提供全新的知识模型。

  不管怎么说,科学研究是可能犯错误的。我们既要努力规避错误,也要在犯错误之后认真改正,提升研究水平。把心思放到探寻科学规律的本质上,才是应有的科学态度。

  《中国科学报》:您的实验室对重复实验有何要求?能否给年轻科研人提供一些经验指导?

  赵国屏:我们实验室有句老话:如果你有意外的重要发现,第一件事情就是去重复。越是“重大意外”发现,越不能头脑发热。

  在生命科学研究实践中,的确有一些重大突破来自于实验或观测的“意外”。但是,更多的意外是人为“错误”所致,而且很难找到原因。所以当一个研究者发现实验结果出现意外,尤其是“意外”可能孕育着重大或重要发现时,就一定要在多个层次上考查其“可重复性”。

  这方面的教训是常见的。有一次,一个学生兴冲冲地告诉我,发现用大肠杆菌表达的细菌的溶血素可以诱导细胞凋亡。这可是几十年来没见过的“大发现”。我问她用的什么做对照,她回答说是生理盐水。我提醒她自己想想这样对照行不行。学生很不错,马上回去用携带载体质粒的大肠杆菌提取“纯化”蛋白做对照,结果同样引起凋亡,说明是大肠杆菌表面脂多糖引起的细胞凋亡,与溶血素无关。

  因此,所谓的重复实验有两层不同含义。一种是最基本的,就是重复做同样的实验。这属于最低水平的重复,目的是纠正操作误差。但是,现在实验技术越来越先进,操作误差比较好控制,最致命的是系统误差。要避免这方面问题,最重要的是不断总结经验教训,打好基础。

  我刚到美国读研时,老师给我的第一个任务是测定一个中和抗体的滴度。我测了一周,发现误差达到25%。虽然导师说可以,但我觉得不对劲,就申请了一周重复实验,不管怎么重复误差还是很大。最后一天,我真绝望了。但是,我意识到一定不是操作误差,就到图书馆去查以前的论文,终于发现自己的数据根本不在线性范围内。回到实验室,一调整实验方法,问题就解决了。第二天拿给导师看,他非常高兴。后来他跟我说,如果一开始就告诉我问题在哪里,我很快就会忘记,只有自己从失败中总结出来的经验,才一辈子都不会忘记。

  我现在指导学生的时候,会单独教一些比较特殊的测定。有的学生跟我说:“赵老师你教的跟教科书不一样。”其实,教科书往往是从“传授知识”的角度阐述前人总结的规律,而后来者只有经过自己的实践,才能真正理解。

  我现在70多岁了,在科学研究中,绝大部分时间依然是在“摸索”。比如我老师留下的一个重要研究课题,经过几代研究生的努力、换了多种方法,虽然有进展,但依然没有真正突破,我还在努力。

  我们对客观世界的认识相对来说总有片面性、局限性,所以需要不断研究,在反复的实验及证伪过程中提炼真知。这才是对待实验的科学态度。

打印 责任编辑:阎芳
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