什麼是生命的數學語言？
什麼是生命的物理？
在2019年11月舉行的CUSPEA（中美聯合培養物理類研究生計劃）40周年大會閉幕式上，北京大學前沿交叉學科研究院湯超教授在發言結尾拋出幾個引人深思的看似「無解」的問題。這是生命科學領域最前沿的問題之一，也是湯超從事交叉學科研究以來探索的主要方向。
湯超在統計物理、凝聚態物理、非線性科學、複雜系統、物理生物學、系統生物學等領域做了許多開創性工作，其中有不少已被寫入教科書。他是同學們心中的「科學男神」，以獨特的「科學品味」，致力於用物理學思想方法研究生物問題，探索生命系統中的定量規律和設計原理。
我們一起走近新晉中國科學院院士，北京大學講席教授、前沿交叉學科研究院執行院長、定量生物學中心主任：湯超教授，感受同學們心中這位北大「男神」的 獨特科學品味！
一位物理學家的生命科學探索之路
中學時，他最喜歡物理，進中科大物理系是他的夢想。但高考那年中科大和北大的物理系在江西都不招生，湯超進入了力學系。出於對物理的熱愛，大學時他自學了不少物理，並常去旁聽物理系的課。
上世紀80年代，李政道發起CUSPEA項目，圓了湯超的「物理夢」。該計劃由中美雙方聯合通過專門的招生途徑，每年選送百名左右國內大學生，赴美攻讀博士學位。湯超作為考取CUSPEA項目的首批留學生來到美國，在芝加哥大學攻讀統計物理學。
湯超的導師、統計物理大師卡達諾夫對他影響頗深。「經常是聊著聊著天，研究方向就有了。」芝大的那種討論式的科研和教學氛圍、超越學科界限注重科學問題的思維方式、認真嚴謹深入的研究作風，不僅為湯超打下了紮實的物理學基礎，也培養了他敏銳的「科學嗅覺」和思辨能力，形成了他日後的學術風格。
很快，在布魯克海文國家實驗室做博士後的湯超就在自組織臨界性問題——一個自己在研究生階段就十分感興趣的方向上——做出了出色的成果，在學界引起了很大反響。
1991年，湯超任職於NEC普林斯頓研究所。這裡沒有研究限制，有的是充分的自由和空間。利用這個機會，湯超開始探索新的領域。他敏銳地感覺到大自然中最複雜的生命現象可以提供新的「素材」。湯超開始接觸生物學問題，「覺得特別好玩兒」。
在他看來，生命科學有很多有待探索的領域，但是有點「摸不著頭腦」。於是，他開始參加各類的組會、看生物文獻，度過了「苦樂參半」的半年，樂在享受探索的過程，但苦於「找不到研究題目」。
真正的轉折發生在一次關於蛋白質摺疊的學術報告會上，主講人是史丹福大學一位研究超導物理的教授。他的研究方向從物理轉向生物。「豁然開朗，」湯超意識到，「是不是可以用統計物理方法來研究蛋白質摺疊問題呢？」自己在生命科學領域的第一個選題就這樣不經意間找到了——這個問題也引導湯超日後提出新的概念，即蛋白質結構可設計性概念。
「生命現象是一片肥沃的土壤，可以催生新的物理、數學、計算機科學等。」蛋白質摺疊的研究開啟了湯超交叉學科研究的航程。他嘗試著用物理學的思維和方法解決更多生命科學領域的問題，此後「一發不可收拾」。
「是我能為國家科研發展出力的時候了」
2005年起，湯超在加州大學舊金山分校（UCSF）任教。這裡既有最優秀的生物學家，也能接觸到最前沿的生物學課題。湯超參與到招聘、科研、教學、管理等各方面的工作，幫助UCSF建立系統生物學研究方向。
六年後，事業做得風生水起的湯超突然決定回國。當時，中國的交叉學科無論從理念上，還是科研環境上都和國外有不小差距。
「改革開放、出國留學改變了我的人生軌跡，也改變了整個國家的命運。現在，是我能為推動國家科研發展出力的時候了。」
在湯超看來，國內形勢已經發生了很大變化，國民經濟、國家實力和國家科研投入都比以前增強了很多。其實，90年代開始，湯超就經常往返於美國和國內，到一些高校和科研院所講課，參加學術會議。
1999年，湯超受李政道委託開始籌建定量學生物中心的前身——理論生物學中心。最初每年回來兩三個月，直到2011年，他舉家回國。回國後他全職擔任定量生物學中心主任和北大-清華生命科學聯合中心（北大）學術委員會主任。
「今天的生物學中，原理、公式、數學方程多了，但是將來更可能會出現新的『生命的數學語言』，新的『生命的物理』。如果堅持打破學科界限來研究生命現象，影響將是巨大的。」
湯超帶領團隊，利用北京大學的多學科優勢，集中數學、物理、化學、工學、生物和信息科學的研究力量，開展並推動定量系統生物學研究取得一系列進展。
湯超課題組把非線性動力學概念用在生物調控網絡上，提出了生物系統魯棒性的理論解釋，並為細胞周期、細胞命運決定、幹細胞重編程等生物問題提供了新的定量的視角。他們還用統計物理的思想方法研究生物網絡拓撲結構和功能的關係，找出了其中具有普適性的設計原理。
李政道先生2002年與理論生物學中心部分成員合影
理論生物學中心的發展得到了各界的肯定和讚譽，不僅被評為第一批教育部創新研究團隊，還成為2007年國家自然科學基金委員會支持的首個「交叉學科」創新研究群體，2008年，又得到北京市重點學科建設對於交叉學科的支持。
「兩個小孩一個初中一個高中，回國對他倆來說犧牲很大，但他們還是跟我回來了。妻子除了覺得北京的空氣有些差以外，沒有其他怨言了。」家人的支持更讓湯超全身心投身於國內交叉學科的建設。
培養有「科學品味」的交叉學科人才
湯超把導師卡達諾夫既自由寬鬆又嚴謹深入的培養理念「複製」到定量生物學中心和北大-清華生命科學聯合中心的學生培養、科研人才管理與招生等各個方面。
他多次用「科學品味」形容對學生的要求。「科學品味是對科學問題的敏感性，知道如何提出一個好的科學問題。」在他看來，自由寬鬆的氛圍還有助於孕育思辨精神、對科研的熱情，這些與知識技能同等重要。
湯超全職回北大後，培養的第一批博士生
「每周固定討論一篇別人的文章，大家一起評價這個研究做得對不對，解決了哪些問題，有沒有意思，這些都是提高科研品味的過程。」
兩個研究中心為創新型跨學科人才成長提供了「寬鬆優質的土壤」。不去計較文章發表，採取五年一次的評估制。在湯超看來，這樣的制度可以讓大家靜下心來思考一些長遠的、有意義的工作。
沒有專業限定，沒有年齡限制，也沒有考試……生命科學聯合中心看似「自由放任」的招生模式實則嚴格苛刻。沒有專業限定，是希望將學生招收背景擴大到生命科學之外；沒有年齡限制，不局限於應屆本科生，更利於發現更多有經驗的人才；沒有考試，則意味著新的評價模式——學生有很多PI面試，需要回答涉及面極廣的問題——這樣對學生素質有更準確的了解和把控。「希望把學生從考試中解放出來，培養他們發現和解決問題的能力。」
湯超和實驗室的同學們在北京大學定量生物學中心年會上
這幾年，擔任前沿交叉學科研究院執行院長的湯超，更是將自己的理念擴展到更廣的領域。研究院10個中心涵蓋數學、物理學、化學、生物學、醫學、工學等學科的眾多交叉研究領域，聚集了一大批學科帶頭人和年輕學術骨幹，在開展各項前沿問題研究與科學技術攻關方面取得一系列重大研究進展。
研究院各中心每年均有大量研究成果發表在各類學術期刊。各中心先後承擔「863計劃」「973計劃」「國家自然基金」「國家重大科技專項課題」等數百項國家級、省部級科研項目，獲得多項國家自然科學獎和國家技術發明獎。
「實現真正的學科交叉要做的事情還很多。」湯超的探索之路從未停歇，「希望有一天我們的學科概念更加淡化，各個學科徹底打通，溝通更加通暢，甚至不需要設立交叉學院這樣的機構。」
到那時，「什麼是生命的數學語言」「什麼是生命的物理」或許就「不是問題」了。
人物卡片
湯超，北京大學物理學院講席教授，前沿交叉學科研究院執行院長，定量生物學中心主任，北大-清華生命科學聯合中心（北大）學術委員會主任。
湯超教授在統計物理、非線性科學、複雜系統、物理生物學等領域開展了許多開創性工作，近年來著力用物理學思想及方法研究生物問題，探索生命系統中的定量規律和設計原理。
2019年11月22日，當選為中國科學院數學物理學部院士。
來源：北京大學 採訪：韓芳、陳仕玥、王巖、吳錚、王鵬、劉其源 文字：王巖 攝影：王天天 資料圖片：受訪者提供 排版：筱羽 責編：昭花花