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颜宁:怎样提高实验效率?

今天我们选择两个话题,为你提供知识服务。一是科学家颜宁宣布回国,二是“双11”期间戴森吹风机销售火爆。

来看今天的第一条。最近,普林斯顿大学教授、世界级结构生物学家颜宁宣布回国工作的消息,刷屏了朋友圈。颜宁在学术界的地位有多牛?我给你念一串她的头衔:清华大学教授、普林斯顿大学终身教授、美国国家科学院外籍院士、国际蛋白质学会“青年科学家奖”得主、赛克勒国际生物物理奖得主、《自然》杂志评选的十位“中国科学之星”之一、魏兹曼女性与科学家奖得主……此外,她还有一个标签:结构生物学大牛施一公的得意门生。

颜宁本科毕业于清华大学,后来到普林斯顿大学深造,拜在施一公门下。在普林斯顿拿到博士学位之后,她回到母校清华大学,年仅30岁就成为清华大学正教授、博士生导师。在清华工作10年后,也就是2017年,颜宁接受了普林斯顿大学的教职,离开清华,当时在国内引起了不小的议论。

在普林斯顿待了5年后,就在本月初,颜宁在“2022深圳全球创新人才论坛”上宣布,她将辞去普林斯顿教授职位,回国参与创办一所新型研究机构——深圳医学科学院。据说,风投机构闻风而动,现在排队上门要给颜宁投资。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

我看了多家媒体对颜宁的报道,对她的学术成果不约而同地提到一个词:高产。只说她在清华大学工作期间,就以通讯作者身份在《自然》《科学》《细胞》三大国际顶级期刊上发表科研论文19篇,平均每年2篇。大家开玩笑说颜宁“在CNS发文章如同灌水”,CNS是这三大国际顶级期刊的合称。

为什么颜宁如此高产?媒体披露了很多:高智商,从小就是学霸;超勤奋,每天泡在实验室14—16个小时;有科研热情,她眼中的蛋白质晶体比钻石更美丽。不过,颜宁自己很谦虚,她表示:做实验,无他,唯手熟尔。

在《成为科学家》这本书里,讲到了颜宁做实验的细节,我们可以从中窥到高手做事的方法论。

第一,规范化动作。

说工业生产需要规范化动作,我们不奇怪;说做实验也要规范化动作,这有点出乎我们的意料。颜宁观察老师施一公做实验,一开始感觉是一位武林高手在演示招数,动作行云流水、一气呵成,好像所有步骤都印在老师的脑子里。再仔细观察,发现老师不只是流畅,而且每个动作特别规范:换移液器枪头的时候总是按特定的顺序,连给标签纸折角都有特定的方法。

施一公告诉颜宁:“这些看起来微不足道的‘小手脚’,都是为了避免瞬间分心可能造成的失误。有时,很可能是一个连你自己都没意识到的小失误,会导致整个实验前功尽弃。”施一公强调说:“不是我们实验做得快,而是我们犯的错误少,弯路走得少。”

后来,颜宁在自己带学生做实验时,同样要求规范化。每个实验都是颜宁先做一遍,演示规范动作,然后看着学生再做一遍,指出他们的问题。比如,学生们换移液器枪头时,喜欢随手拿起一个来换。颜宁说不行,要严格按照顺序,这样万一多加或少加了溶液,就可以从枪头来判断问题出在哪儿。

第二,头脑预演。

这一招是颜宁从一位师姐那儿学到的。每天晚上睡觉之前,在头脑里预演一遍第二天要做的实验,特别是那些难度较大的细节和容易出错的环节。这样提前过一遍之后,第二天实验的效率会高不少。

头脑预演这一招,我们在第33期节目中介绍过,各行各业的高手都在用。跳水运动员站在跳板上时,会将动作全过程、每个细节要领在头脑中先过一遍;建筑师在设计图纸时,会在想象中把自己缩小、跳到图纸中去,感受设计空间的每个细节;再比如罗胖,在跨年演讲之前,会想象自己站在舞台上,把演讲的内容和当时的现场情绪在脑子里一遍一遍过。现在我们知道了,顶级科学家做实验,也会先在头脑中预演实验过程和细节。

第三,通过大量练习,培养科学直觉。

结构生物学家想要观察蛋白质结构,需要三个步骤:第一,在生物体外培养出性质稳定的蛋白质;第二,让蛋白质形成晶体,也就是“结晶”;第三,用X射线衍射观察晶体,解析出蛋白质的三维结构。其中,最难的是第二步,也就是结晶。

蛋白质的结晶条件非常苛刻,而且每种蛋白质还都不一样。为特定的蛋白质创造合适的结晶条件,理论上存在无数可能的路径,怎么找到最佳方案?这往往要依靠“科学直觉”,直觉对了,会少走很多弯路。

“科学直觉”听起来很玄,其实就是大量实验训练的结果。前面说了,颜宁每天泡在实验室14—16个小时,自己不做实验的时候,就观察别人做实验;不实际动手做实验的时候,就在头脑中预演实验。通过这样的长期积累、内化,才会有凭借科学直觉灵光乍现的时刻。

第四,如果可以攀珠峰,就不去爬玉龙雪山。

2013年,颜宁在清华独立主持的实验室已经顺畅运转了几年,她所带的学生们也都在核心期刊发了论文,没有毕业压力。这时候,颜宁做了一个重要决定:停止之前给实验室“练手”的几个项目,去专攻膜蛋白领域的经典难题——人源葡萄糖转运蛋白GLUT1,这是前辈科学家们努力了50年都没做出来的成果。

对此,同行和她的学生都不理解:之前实验室做的昆虫葡萄糖转运蛋白,已经完成了实验三步骤中的前两步,也就是培养蛋白质和结晶,只差最后一步X射线衍射了,可以说已经胜利在望。这时候放弃这个项目,去专攻难度极大的人源葡萄糖转运蛋白,能不能成功还很难说,这不是得不偿失吗?

颜宁是这么对她的学生说的:我理解你,做昆虫蛋白,三关已经过了两关;而做人源蛋白,需要从第一关开始打。但是,你做昆虫蛋白,就算全部通关了也就到6000米的地方;而做人源蛋白,你有机会直接登顶珠穆朗玛峰。有能力登上珠穆朗玛峰的人,不应该去爬玉龙雪山。

据说,颜宁的学生当时并没有被说服,回去唉声叹气:“我们选择了一条不归路,可能要四五年才能看到结果。”然而,仅仅过了一年,颜宁团队就解析出了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的结构,成果发表在《自然》杂志上。诺贝尔化学奖得主布莱恩·克比尔卡称赞这项成果是“伟大的成就”;美国国家科学院院士罗纳德·卡巴克说颜宁“战胜了过去50年从事结构研究的所有科学家”。

颜宁的故事让我想起那句老话:所有的连续成功,都是方法论的胜利。

来看今天的第二条。

今年“双11”期间,高速吹风机成为最受欢迎的小家电之一。在天猫平台上,徕芬、寻觅、飞科等国产品牌表现亮眼,挤进了销售额榜单的前五名;不过,戴森的市场地位仍然稳固,虽然销量只有徕芬的1/3,但以每台吹风机3000元的均价,在销售总额上牢牢占据市场第一。我看到《中欧商业评论》对戴森创始人詹姆斯·戴森的采访,这位70多岁的老头子骄傲地说:“我的字典里没有‘性价比’这个词。”

戴森在采访中,讲到他们当时研发高速吹风机的思路。传统吹风机的痛点显而易见:第一,因为要制造风速,所以会有噪音,用起来非常吵。第二,为了把头发尽快吹干,需要在吹风机里加上电阻丝加热空气,气流温度最高能达到150摄氏度,很伤头发。

怎么解决这两大痛点?先来说伤头发的问题。戴森的工程师认为,如果空气流动足够快,就可以把温度降下来,把头发吹干而不是利用热空气把头发烘干,这样就不会伤头发。这个问题相对好解决。工程师设计了一种中空的结构,能让风速提高三倍。

但是,风速一提高,噪音就更大了。怎么才能既提高风速,又把噪音降下来?这是一个典型的“既要,又要”的问题,而且是与物理规律相违背的。当时戴森的工程师团队试了几百种方案,都没能解决这个问题,差点就要放弃高速吹风机项目。

后来,研发团队偶然地从蝙蝠身上找到了灵感。蝙蝠靠回声定位来探查周围环境,但我们人类听不到蝙蝠的声音,因为蝙蝠发出的是超声波,声音频率高于人类的听力范围。当你把吹风机的转速提高三五倍,那肯定是风速越高噪音越大;但是,当你把转速继续提高到一定程度,声音频率就会进入超声波区,人类就听不见了噪音,这就是“静音高速吹风机”的原理。

最终,戴森团队设计出了一种空气动力马达,仅重49克、直径27毫米、有13个叶片,转速高达每分钟11万次,这是戴森网红吹风机的核心部件。

戴森的例子再次说明了,“既要,又要”是倒逼创新的神器。比如,设计储存食物的容器,既要密封严实,又要容易打开,这组矛盾倒逼了易拉罐的发明。再比如,想要船的平稳性好,就得加宽船身,但是加宽船身会让船的阻力变大。既要平稳性高,又要阻力小,这组矛盾倒逼了流线型船体设计。还有,天文望远镜的镜面越大,观察效果越好,但是,镜面太大又装不进火箭发射舱。这组矛盾催生了折叠式天文望远镜的发明。

就像采铜老师在《精进2》里指出的:所谓有洞察力的人,就是一眼就能够抓住事物的核心矛盾的人。而所谓有创造力的人,不是在老矛盾中迁就其中一项,恶化另外一项,而是找到那个核心矛盾,然后把这个矛盾消灭掉。

来说说咱们得到的事儿。

最近,有不少同学向《职场写作训练营》的罗砚老师提问:“年底了,工作不好找。简历应该怎么写,才能从候选人里脱颖而出?”

罗砚老师说,写简历,最常见的就是说自己“沟通能力强”“学习能力强”。这么空泛的表述,很难说服面试官。《职场写作训练营》里有一个方法,叫“加半句大法”。把简历上的内容加上半句,就能让你的优势更有说服力。怎么加呢?

第一,能力后面加证据。比如,“我有文案写作能力。在宇宙杂志等新媒体上,发表过十几篇文章。”

第二,经历后面加价值。比如,“我独立策划了国庆促销活动,为公司带来了过百万的销售额。这也是公司过往一年唯一业绩上百万的活动。”

第三,需求后面加准备。研究一下岗位对候选人的需求,并附上你为了胜任这个岗位所做的个人准备。比如,应聘新媒体编辑,你可以说,“为了更好地胜任这个岗位,我去年自己运营了一个微信公众号,过去一个月产出文章5篇,平均阅读量2000+。”

按照这个模板写,简历更有真实感,也更有说服力。《职场写作体验营》还为你准备了应对竞聘、总结、述职等各种场景的写作模板和工具,花9.9元就能学习。现在报名,还能获得30个职场微课文稿,里面包含面试自我介绍模板、周报模板等等。在首页搜索“写作”或者点击文稿区链接,就可以报名。

另外,万维钢老师的《精英日课》第五季,正在解读一本今年9月刚上的英文版新书,叫做《星空信使》。作者你也很熟悉,就是现象级畅销书《给忙碌者的天体物理学》的作者尼尔·泰森。万老师解读的第一讲很有意思,叫“想象你是外星人”,欢迎你前去试读,看看外星人是怎么观察地球的。

今天就聊到这儿,《得到头条》,明天见。

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