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美国的科学暑期班:海边的生物圣地

 
撰文 | 王志荣(乔治城大学博士研究生)
责编 | 陈晓雪
 
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这个夏天有幸在位于美国麻省伍兹霍尔(Woods Hole)的海洋生物研究所(Marine Biological Laboratory, MBL)学习工作三周时间,参加了一个为期三周的暑期课程“内耳生物学”(Biology of the Inner Ear),收获颇丰。这充实紧凑的三周时间极大地影响了我对待科学的认识,做实验的方法以及今后可能从事的研究方向。
 
海洋生物研究所听起来可能和隔壁的伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)混淆,其实它们是两个各自独立的研究所。后者成立于1930年,是专注于海洋科学与工程的非盈利研究机构,也是美国规模最大的独立海洋学研究中心。这次介绍的前者,成立于1888年,也是非盈利的研究教育机构(自2013年起隶属于芝加哥大学),却也是发育生物学家以及神经生物学家心里的圣地之一。
 
MBL整体很小,整个校园很紧凑。举个例子,我们学生居住的宿舍楼Ebert Hall位于校园中部,实验室所在的Loeb Laboratory就在旁边,早上起晚了我们就直接冲下去,两分钟就到实验楼;校园内唯一的食堂在Swope Center(集行政办公、餐饮、教职员工住宿为一体的一栋楼),同样下楼穿过另一侧的马路就到。这真是我经历过的三点一线直线距离最短的研究生活。
 
MBL的建筑名字也是各有来头: Ebert Hall以器官移植的先驱、胚胎学家James D. Ebert命名;集中了实验室、教室和大型显微镜的Loeb Laboratory是以最早做出人为诱导孤雌生殖的Jacques Loeb命名;包含了激光共聚焦显微镜和电子显微镜、演讲报告厅以及MBL图书馆的Lilie Laboratory是以在钾浓度对细胞分化和性激素对两性分化作用有重要贡献的Frank Rattray Lillie命名的。他们都曾经领导过MBL或者长期在MBL做实验。
 
说起来MBL做实验的伟大生物学家,就要提到遗传学的先驱摩尔根(Thomas Hunt Morgan),他和MBL有着很深的渊源。从博士毕业前的1890年,到1942年退休,摩尔根几乎每个夏天都会来伍兹霍尔工作。除了大家熟知的果蝇,摩尔根在伍兹霍尔至少还研究过其他十五种生物,这也是他的研究风格之一:多线并进。1886年,即将去约翰霍普金斯大学念研究生的摩尔根到位于麻省Annisquam的一个海洋研究所学习,两年后这个研究所搬到了伍兹霍尔,成为MBL的前身,摩尔根也亲自见证了这个转变。和常驻MBL的Jacques Loeb一起,摩尔根坚持实验主义,坚持设计可以实际验证的实验,极力扭转当时盛行的描述性的系统发生学研究。
 
在MBL时,摩尔根一直在研究根瘤蚜(一种寄生于葡萄根茎的害虫)和蚜虫,试图搞清楚究竟是细胞质还是染色体决定昆虫后代的性别的问题。起初摩根跟一度认为是细胞质,后来他在哥伦比亚大学的实验室发现了果蝇的白眼是由性染色体而非细胞质决定的,于是重新思考了他在MBL的实验,终于意识到了性染色体在决定后代性别中的关键作用。后人评价摩尔根说:在那个年代,自然主义者(naturalist)和实验主义者(experimentalist)二元对立,前者主张描述性的宏观推论,后者主张定量的还原主义;摩尔根成功地结合了两者。
 
再回到我参加的暑期项目。内耳生物学课程一共18个学生,教授加助教一共48位教职员工。这样的阵容可以让学生和指导老师有充分的接触和交流。课程安排非常紧凑。为了最大限度地利用时间,周一到周六是上午两个讲座,午饭后开始实验教学和练习,晚饭后主要是学生自主练习,做自己的项目,或者做集体项目。实验教学和集体项目的讨论和进展报告偶尔也会安排在晚上。学生们充满了热情,几乎每天都是工作到午夜甚至凌晨一两点。据说以前的课程中出现过学生工作太勤奋情况(到凌晨四点),老师们不得不制定规则,晚上十点后就不再提供实验材料开始新的实验……课程规定星期天必须放假,实验室关门,学生必须休息一天。这也是基于以前课程的经验,否则大家工作太拼,都没有时间清洗一周的衣服。星期天大家可以坐船去附近的一个岛Marthas Vineyard玩一圈,或者干脆在宿舍里补一天觉。
 
今年课程的集体项目是研究乌贼内耳(squid statocyst),在海洋动物体内的感受平衡运动的器官,近似于哺乳动物内耳里的前庭系统(vestibuar system)。一是因为内耳领域的主流模式动物是啮齿类哺乳动物、鸟类里的鸡、两栖类的爪蟾和鱼类里的斑马鱼,研究软体动物头足纲的乌贼从比较解剖学和比较生理学的角度来看毛细胞的演化很有趣;二是因为可以充分利用MBL以乌贼巨型轴突(squid giant axon)为代表的丰富的海洋动物研究资源。
 
参加这个项目的学生背景不同,学习目标也是有着不同的针对性。所以自由时间的个人项目会有所侧重:有的同学带来了自己实验室的抗体在不同的动物内耳组织上进行免疫荧光染色;有的同学带来了特异性的药物做电生理实验研究,研究自己感兴趣的受体或者离子通道;有的同学着重花更多时间练习不同类型的听觉测试。集体项目也是如此,大家选择自己感兴趣的或者希望练习的研究方法来做乌贼内耳:有些同学对电镜感兴趣,就在有专长的老师辅导下准备扫描电镜或者透射电镜的材料;有些着重于电生理实验,用临时搭起来的电生理记录台记录乌贼内耳毛细胞的电生理活动。我自己主要用免疫荧光染色来看毛细胞的结构以及相关神经连接的构造。由于对刚刚孵化的小乌贼的理解知之甚少,我们的很多工作都是在身体透明的小乌贼上进行。
 
课程中令人印象深刻的一点是老师们对于科学和培养新人的热情。内耳领域的基本功是各种解剖,不论是用什么样的模式生物,首先要把内耳取出来。许多解剖示范都是领域内已经很有威望的教授亲自来做,即使是在学生练习阶段,他们也是在实验室内一一解答学生的问题,手把手指导。每天夜里,当周留守的教授一直陪着学生到深夜,帮助解决问题,提供材料。很多时候他们自己也展现出对bench work(一线实验)的热情,比如对于知之甚少的集体项目乌贼内耳,他们和学生一样激动,做解剖,免疫荧光,电生理记录,直到深夜。尤其令我印象深刻的是,来自贝勒医学院的Andy Groves,夜里持续解剖两个小时,然后把材料给学生继续往下做。另外,大家每天三餐的时间基本同步,几乎每顿饭都是学生和老师围坐一桌,聊实验中的收获与思考,老师们的奇闻轶事、历史八卦……
 
除了每两年一次的内耳生物学课程,MBL还有很多历史悠久、名声远扬的暑期课程。起源于1893年的胚胎学课程(Embryology: Concepts & Techniques in Modern Developmental Biology)已经超过一百年,从最初没有学费学生自带设备,教授基础的解剖观察材料制备等内容,逐渐演变成更加专业化,面向认真考虑以研究为职业的研究生和博士后,而且教授更加高级的实验技能(包括分子生物学兴起带来的分子技术),见证了发育生物学的百年历史。具有悠久历史的还有生理学课程(Physiology: Modern Cell Biology Using Microscopic, Biochemical and Computational Approaches),两门神经科学的课程(Neurobiology和Neural Systems & Behavior)……这些只是MBL众多暑期课程中具有代表性的几个(其他请参考:http://www.mbl.edu/education/courses/)。
 
暑期课程是和领域内顶尖科学家近距离接触的绝好机会,除了可以在热忱的研究气氛中结识领域内的其他同事,或许还会建立长久的友谊和合作。举个例子,算是我学术曾祖父的Jeff Cowrin(我的博士导师Tom Coate的博士后导师Matt Kelley是他的博士生)参加过1975年的Neurobiology course,1983年又来MBL做过Grass Fellow,后来还领导过Grass Fellowship这个项目。Cowrin说,他当时的很多同学后来都变得非常有名(当然他自己也很有名了,他是内耳领域毛细胞再生研究的鼻祖,也是2007年内耳生物学课程最初的组织者)。
 
上面说到的Grass Fellow,是伍兹霍尔一个珍贵的训练机会,由Grass Foundation资助,面向高年级博士研究生、博士后以及刚拿到教职的早期独立研究者的资助项目。申请人提交计划书,制定资金用途,MBL提供设备、行政和生活上的支持。这个项目的期限为夏天的14个星期,每年支持10-12人,没有必须是美国公民或者绿卡持有者的要求。内耳生物学课程的一些教授曾经做过Grass Fellow,课程中期还组织我们学生对Grass Fellow的实验室做了一次短暂的参观。Grass Fellow每人有自己的十平米左右的空间,他们在这充满传奇的MBL进行着自己科学生涯早期的独立研究。
 
最后和大家分享挂在海洋资源中心(Marine Resource Center)的一句话,来自1937年诺贝尔生理和医学奖得主Albert Szent-Györgyi:“发现就是看到每个人已经看到的,思考无人想到的。”生物学的进步重要的一部分是技术,而有了技术之后如何在复杂的系统中理清头绪,如何在纷繁的领域里慧眼识珠,就要靠站在巨人肩膀上,接受好的导师言传身教,磨练自己的洞察力,以及勤奋的工作了。
 
注:本文图片均由作者提供。
 
参考文献:
Kenney, D. E.; Borisy, G. G. (2009)."Thomas Hunt Morgan at the Marine Biological Laboratory: Naturalist and Experimentalist". Genetics. 181 (3): 841–846.
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