I Should Have Loved Biology

Link: https://jsomers.net/i-should-have-loved-biology

摘要

作者 James Somers 反思了他高中时未能爱上生物课的原因，认为课程过于侧重枯燥的名称记忆（如高尔基体、克雷布斯循环），而忽视了生物学内在的惊人之处和探索过程。他引用 Lewis Thomas、Douglas Hofstadter 和 Bert Hubert 的观点，强调生物学是关于生命如何从单细胞分化出复杂结构、细胞如何像自修改程序一样运作、以及生命系统如同外星飞船般充满未知奥秘的学科。作者认为，传统的教科书教学方式剥离了科学发现的“探险”本质，没有展示生物学家如何提出问题、设计实验（如 Oswald Avery 发现 DNA 作为转化原理的实验）。他提出，理解生物学应从问题出发，关注其物理机制（分子机器、结构与功能、随机扩散等）和研究方法（RNA 测序、流式细胞术等）。为了让生物学更易理解和激发兴趣，作者呼吁开发更好的可视化工具、模拟软件和协作平台，帮助人们“看见不可见之物”，并强调需要科学英雄来激励下一代。

内容精简

作者 James Somers 在文章中表达了他对高中生物课的遗憾，认为自己本应热爱生物学，但课程却变成了枯燥乏味地背诵各种名称和循环，如高尔基体、克雷布斯循环、有丝分裂、减数分裂、DNA、RNA 等。教科书呈现惊人事实（如身体每个细胞含有相同 DNA）时缺乏应有的惊叹。他引用 Lewis Thomas 的话，指出从一个受精卵细胞分化出人类大脑细胞的过程本身就应是地球上最伟大的奇迹之一，值得人们 endlessly wonderment。

作者认为，高中生物课本应提出像“胚胎如何分化”这样的核心问题，并引导学生思考。胚胎分化的答案——化学梯度如何轻微改变细胞基因表达，从而区分“上”和“下”，细胞开始产生不同蛋白质并释放信号——蕴含了整个学科的精髓。然而，课程却让我们记忆化学公式，而非探讨这些深刻问题。直到大学阅读 Douglas Hofstadter 的《哥德尔、埃舍尔、巴赫》，作者才开始将细胞理解为递归自修改程序，DNA、RNA、蛋白质之间的相互作用如同 Lisp 宏的层层生成，源代码包含了地球生命所需的一切指令，这比任何想象都更令人兴奋。

Bert Hubert 的比喻——生物学就像一艘降落在后院的外星飞船，其技术远超人类百万年——生动地说明了生物学的奇妙与未知。然而，生物课并未将生物学呈现为探索生命秘密的旅程，教科书剥离了这种探索精神。我们没有接触真正的生物学家、他们提出的问题或进行的实验，只被告知了结论。

作者以 Oswald Avery 在 20 世纪 40 年代的研究为例。Avery 对两种肺炎链球菌（粗糙型和光滑型）感到困惑，发现将光滑型与粗糙型混合后，后代都变成了光滑型。这种在培养皿中的遗传现象是当时最令人兴奋的谜团之一。多数专家认为蛋白质是遗传物质，但 Avery 怀疑核酸的作用。他通过简单的离心、水、洗涤剂和酸纯化出光滑菌株的核酸，加入粗糙菌株培养物后，粗糙菌株的后代也变成了光滑型。这种纤维状物质就是“转化原理”——长期寻找的遗传媒介。Avery 的实验引发了后续研究热潮，最终导致了双螺旋结构的发现。作者认为，这样的实验本可以在学校实验室复现，让学生体验科学发现的过程。

Paul Lockhart 在《数学家的悲歌》中描述了学校教育如何通过剥夺问题来贬低数学。生物学也类似，甚至更糟，因为它更混乱，事实显得更随意。我们被要求区分“脂质双层”和“内质网”，却不明白为何要关心它们。

作者认为，理解庞大主题的最佳方式是“薄而深”地切入，就像他学习编程时通过小项目来组织知识一样。项目提供了动力和组织原则，抽象概念在具体问题中变得清晰。生物学也一样，学习始于问题：胚胎如何分化？眼睛为何是蓝色的？仓鼠如何将奶酪转化为肌肉？冠状病毒为何使一些人病得更重？

作者在为杂志撰写关于 SARS-CoV-2 和免疫系统的文章时，遇到了充满术语的科学论文，理解困难。免疫学尤其复杂，命名法庞大，存在许多“方形和矩形”的关系（所有白细胞介素都是细胞因子，反之不然）。他发现生物学像计算一样具有分形复杂性，但更糟，因为它不是有意设计的，而是巨大的全局可变状态的混乱集合。控制通过上调某个事物、下调其抑制物的启动子等方式实现。即使是看似简单的概念（如中性粒细胞），深入了解后会发现有多种类型，且不断有新的发现，有些类型的功能甚至与已知类型相反。生物学中充满了规则的例外。

然而，生物学像计算一样，有一个非抽象的底层：物理世界。是形状的碰撞。20世纪分子生物学的伟大启示是结构与功能的耦合。DNA 的双螺旋结构因其卷曲、解旋和互补配对的能力而成为遗传信息的天然载体。血红蛋白因其结构能高效结合氧原子而成为能量储存者。大多数蛋白质都是如此，它们像微型机器一样工作。细胞之间也通过形状进行交流，如同钥匙进入锁孔：细胞膜上的蛋白质与信号分子（如细胞因子）结合后改变形状，释放细胞内部的另一分子，传递信号。

作者认为他高中时对生物学的理解过于流程图化（DNA → RNA → 蛋白质），不理解基因如何“开启”以及是否永久开启。从物理角度思考更清晰：哺乳动物 DNA 紧密缠绕在组蛋白上，形成纤维结构。转录 DNA 为 RNA 的分子机器必须沿着螺旋移动，只能访问未被缠绕隐藏的部分。基因“表达”意味着机器正在访问特定 DNA 片段，产生 RNA 转录本和蛋白质。改变纤维结构会改变机器的可视范围，从而改变蛋白质分布，实现细胞“重编程”。

现代生物学的常用技术 RNA 测序（RNA-seq）通过计数细胞内的 RNA 转录本，提供特定时刻蛋白质表达的快照。结果是一个基因到转录本计数的表格。细胞类型或状态（健康 vs 疾病）反映了这张表格中分布的不同。RNA-seq 结果常表示为高维空间中的向量，细胞在表达空间中移动以自我调节和适应环境。

如何培养对生物学的物理理解？作者推荐图片和插图。David Goodsell 的《生命机器》一书充满手绘插图，将细菌鞭毛马达等结构在不同尺度下展示，并强调细胞内部是一个拥挤且快速的地方，充满蛋白质机器。书中生动描述了分子在水分子撞击下的随机扩散运动，这种运动在短距离内探索效率极高，使得细胞即使只有少量受体也能高效识别信号（William W. Cohen 在《计算机科学家细胞生物学指南》中阐释了这一点）。Cohen 的书也强调学习生物学方法的重要性，这些方法（离心、凝胶电泳、Western blot、流式细胞术、基因操作）在研究中高度保守，理解它们比记忆孤立事实更有用。

作者最推荐的资源是 Horace Freeland Judson 的《创世纪第八天：生物学革命的缔造者》。这本书通过大量访谈和文献，详细描述了分子生物学革命的历史，包括科学家们的错误尝试和困惑（如在 tRNA 发现前对遗传密码标点和氨基酸结合机制的错误猜想）。这本书展示了科学发现“之前”的面貌，是实践者的视角，与教科书截然相反。

作者在研究免疫系统时，产生了 Bret Victor 式的思考：如何创造工具让理解生物学更容易？他赞赏 YouTube 上的优秀讲解视频（如 Ninja Nerd Science），它们通过可视化帮助人们“看见不可见之物”。但他认为，创建这类有用插图和动画的门槛太高。需要更易用的软件工具（如 Adobe Illustrator 的图案画笔、BioRender、CellPAINT、简化的 Molecular Maya），让非专业人士也能轻松绘制复杂对象和制作动画。

作者设想了协作编辑图像的可能性，类似于维基百科的文本编辑，让图像也能被逐步改进。他希望有可缩放、可导航的层级图表，能轻松链接到子图，并能在浏览器中嵌入和分享。他还强调学习绘画和生动写作的重要性。

生物学特别适合模拟，因为它是一个由微小机器构成的世界。但创建三维交互模拟需要太多专业技能。需要像 MockMechanics 或 Minecraft 那样、但专注于生物学的工具包。Watson 和 Crick 依赖物理模型进行发现，Bret Victor 的 Dynamicland 设想了一个沉浸式协作空间，可以在其中快速构建这类模型。作者希望有能把想法放入物理空间的工具，像钉板一样组织概念，同时具备文本的搜索、复制粘贴、分享和组合能力。

最后，作者认为生物学需要灵感和英雄。像《心灵捕手》那样的电影可以展现科学的浪漫。那些在抗击疫情中做出贡献的科学家（如疫苗开发者）应该成为家喻户晓的名字，激励孩子们梦想成为未来的科学家。

文章最后列出了作者推荐的阅读书单：《生命机器》、《仿生纳米技术：来自自然的启示》、《计算机科学家细胞生物学指南》、《创世纪第八天：生物学革命的缔造者》、《水母与蜗牛：一位生物观察者的更多笔记》。

要点

以下是文章的关键点及其相关信息，以层级结构呈现：

• 作者对高中生物课的失望

  • 原因：过于侧重枯燥的名称记忆（高尔基体、克雷布斯循环、有丝分裂、减数分裂、DNA、RNA 等）。
  • 问题：惊人事实（如细胞 DNA 相同）呈现时缺乏惊叹。
  • 缺失：没有关注生物学内在的“探险”和发现过程。
  • 结果：教科书“剥离了探索精神”。

• 生物学内在的惊人之处

  • 细胞分化： 从单细胞到复杂结构（如大脑）的过程是巨大奇迹 (Lewis Thomas)。
    • 关键问题：胚胎如何分化？
    • 答案核心：化学梯度改变基因表达，细胞产生不同蛋白质，形成信号。
  • 细胞作为程序： 细胞是递归自修改程序 (Douglas Hofstadter)。
    • 机制：DNA → RNA → 蛋白质循环。
    • 类比：像 Lisp 宏，源代码包含生命指令。
  • 生命系统如同外星科技： 生物学像研究一艘远超人类技术的外星飞船 (Bert Hubert)。
  • 科学发现的“探险”： 寻找生命秘密的过程本身充满魅力。
    • 例子：Oswald Avery 发现“转化原理”（DNA）。
      • 背景：研究肺炎链球菌的遗传现象。
      • 实验：纯化核酸，加入粗糙菌株使其转化为光滑型。
      • 意义：证明 DNA 是遗传物质，引发双螺旋发现热潮。

• 对传统生物教学的批判

  • 只给出结论，不展示问题、实验和发现过程。
  • 剥夺了学生思考和探索的机会 (类比 Paul Lockhart 对数学教育的批判)。
  • 侧重记忆任意事实（如区分脂质双层和内质网），而非理解其意义。

• 生物学的本质和复杂性

  • 复杂性： 混乱、分形、充满例外 (类比计算，但更甚)。
    • 例子：免疫系统命名法庞大，细胞类型多样且功能复杂。
  • 物理基础： 底层是物理的，形状的碰撞。
    • 结构与功能： 20世纪分子生物学的核心启示。
      • 例子：DNA 结构与遗传信息存储，血红蛋白结构与氧结合。
    • 分子机器： 蛋白质像微型机器（运动、收缩）。
    • 细胞内部环境： 拥挤、快速。
    • 随机扩散： 分子运动主要方式。
      • 特点：长距离慢，短距离探索快。
      • 意义：细胞即使受体少也能高效识别信号 (“高带宽”) (William W. Cohen)。
  • 基因表达的物理机制： DNA 缠绕组蛋白影响转录机器访问 (物理结构影响)。
    • “表达”：机器访问特定 DNA 片段，产生 RNA 和蛋白质。
    • “重编程”：改变 DNA 纤维结构改变蛋白质分布。

• 如何更好地理解和教授生物学

  • 从问题开始： 学习始于提出问题（胚胎分化、眼睛颜色、疾病易感性等）。
  • “薄而深”的学习： 像编程通过项目学习，问题作为组织原则。
  • 培养物理理解： 关注分子机器、形状、运动、结构与功能。
    • 推荐资源：David Goodsell 的《生命机器》（插图、细胞环境描述）。
  • 学习研究方法： 理解生物学家如何获取知识。
    • 常用方法：离心、凝胶电泳、Western blot、流式细胞术、基因操作。
    • 重要性：方法在研究中高度保守，理解方法有助于阅读论文 (William W. Cohen)。
  • 学习历史和发现过程： 理解科学发现前的困惑和错误尝试。
    • 推荐资源：Horace Freeland Judson 的《创世纪第八天》（展示科学“之前”的面貌）。

• 改进生物学学习的工具和方法

  • 更好的可视化： 帮助“看见不可见之物”。
    • 现有例子：YouTube 讲解视频 (Ninja Nerd Science)、3D 动画 (“Inner Life of a Cell”)。
    • 需求：降低创建高质量插图和动画的门槛。
      • 需要易用软件：图案画笔、BioRender、CellPAINT、简化的 Molecular Maya。
  • 协作工具： 支持多人共同改进学习资源。
    • 例子：可协作编辑的图像（类似维基百科文本）。
    • 需求：可缩放、可导航的层级图表/“地图”，易于创建、分享和嵌入。
  • 模拟软件： 生物学适合模拟，需要易于访问的工具包 (类似 MockMechanics, Minecraft for biology)。
  • 物理模型： 强调构建和操作物理模型的重要性 (Watson & Crick 的模型, Bret Victor 的 Dynamicland 愿景)。
    • 需求：能将想法放入物理空间，同时具备数字化的便利性。
  • 基础技能： 教授绘画和生动写作。
  • 灵感和英雄： 展现科学的浪漫，树立科学英雄榜样 (类比 Feynman)，激励下一代。

• 推荐阅读书单

  • 《生命机器》(The Machinery of Life), David Goodsell
  • 《仿生纳米技术：来自自然的启示》(Bionanotechnology: Lessons from Nature), David Goodsell
  • 《计算机科学家细胞生物学指南》(A Computer Scientist’s Guide to Cell Biology), William W. Cohen
  • 《创世纪第八天：生物学革命的缔造者》(The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology), Horace Freeland Judson
  • 《水母与蜗牛：一位生物观察者的更多笔记》(The Medusa and the Snail: More Notes of a Biology Watcher), Lewis Thomas

问答

• Q: 作者为什么认为他本应热爱生物学，但在高中时却没有？

  • A: 作者认为高中生物课过于侧重枯燥的名称和概念记忆，而没有展现生物学内在的惊人之处、探索过程和核心问题，剥离了学科的魅力。

• Q: 作者认为生物学最令人惊叹的方面是什么？

  • A: 包括从单细胞分化出复杂生命结构的过程、细胞作为递归自修改程序的运作方式、生命系统如同外星科技般的复杂与精妙，以及科学家探索生命秘密的发现历程。

• Q: 作者如何批评传统的生物学教学方法？

  • A: 传统教学只给出科学结论，而不展示科学家如何提出问题、设计实验、经历困惑和错误，剥夺了学生体验科学发现过程的机会。

• Q: Oswald Avery 的实验在生物学史上有什么重要意义？

  • A: Avery 通过实验证明 DNA 是遗传信息的载体，即“转化原理”，这一发现为后续科学家探索 DNA 结构（双螺旋）奠定了基础。

• Q: 作者如何看待生物学的复杂性？

  • A: 作者认为生物学非常复杂，具有分形特征，充满例外，像一个巨大的、非有意设计的混乱系统，比计算系统更难理解。

• Q: 为什么作者强调理解生物学的“物理”层面很重要？

  • A: 生物学的底层是物理的，理解分子机器、形状、碰撞、结构与功能的关系（如 DNA 缠绕、蛋白质工作方式）有助于更深入地理解生命过程，而非停留在流程图式的概念。

• Q: 作者提出了哪些改进生物学学习体验的建议？

  • A: 建议包括从问题出发学习、关注物理机制和研究方法、开发更好的可视化工具、模拟软件和协作平台，以及通过科学英雄激发学习兴趣。