程和年：“顶天立地”科研人

冯神凡

“我们不能老在别人的‘地里种庄稼，我们要去开辟自己的天地。”如何把专利论文变成产品，如何把独一无二的产品变成国家科技产业竞争重器，是程和平团队正在思考、正在谋划的事情。

程和平

北京大学分子医学研究所钙信号研究室主任、教授，中国科学院院士，长江学者特聘教授，“千人计划”专家，中国生物物理学会副理事长，九三学社第十四届中央委员会委员，2017年当选“九三楷模”

一个乍暖还寒的春日午后，伴随着明媚的阳光和飞舞的杨柳絮，笔者走进北大，与国家“十三五”规划中生命科学与医学领域唯一获批的“大设施”——多模态跨尺度生物医学成像中心的首席科学家程和平院士畅谈。程和平名头很大，但架子很小；成就很大，但他讲起的故事都很小。整个下午时光就在他的娓娓道来中飞逝而过。

九年三科“小白鼠”

与众多科学家名校毕业之后潜心钻研多年才开始出科技成果不同，程和平的“成就”自北大求学期间就开始了——他在北大获得了双学位。即使30年过去了，他的编号001的力学和生物学双学位毕业证仍然保存完好。“我这个双学位啊，是老师们真喜欢我，就拿我当了小白鼠啦！”程和平开玩笑说。其实真正的原因，是来自一次偶然的际遇。

以力学开启北大之旅的程和平，恰逢当年学校刚刚开放了跨系选课，他怀着对生物学的好奇报了生物系的生理学课。结果第一次考试，生物系的学生最高的只考了60多分，而力学系的程和平却考了90多分。授课的陈守良先生大吃一惊，他意识到自己捡着了一块“宝”，于是开始特别关注这个年轻人。

力学本科毕业后，程和平成为吴望一先生的硕士研究生，主攻生物力学。在吴教授的大力栽培下（说来有趣，吴教授本人也是数学和流体力学大家，之后转型去做生物力学这个“边缘学科”），程和平的硕士毕业论文就已经非常“跨学科”了。他对红细胞的形态建模，用理论力学中的变分方程来验证大自然的伟大和生物学的神奇：红细胞凹透镜式的结构与理论预测的最佳氧气交换的形态，相差不超过3%。

终于找到自己人生方向的程和平在攻读硕士期间如饥似渴地补充了许多生物学知识，又在陈守良、贺慕严两位老师的指导下，拿到了自己的生物学双学位。由于成绩优异，老师们甚至主动为这个年轻人规划未来的人生：从事生物医学工程研究。

要想从事生物医学工程研究，电子学知识必不可少。虽然在进行生物实验的过程中，程和平就接触到了电子学知识，但还远远不够。陈守良和贺慕严夫妇二人就去登门请求无线电系系主任王楚先生，给程和平争取了一个留校当助教的机会。“由于生物医学跟先进设备关联度很高，我去那里可以往生物医学工程方向努努力，也就过去了。现在看来，这些知识还真是一点没白学，后面全用上了！”

在无线电系做助教的程和平虽然是半路出家，但是却发挥了他数学和物理方面的特长。他独立完成了长达万言的一个实验大教案，还在王楚老师的指导下发表了两篇论文。每次校审手稿后，王老师总是把自己的名字从作者名单中划去。“这让我肃然起敬”，程和平说。

在潜心做了两年助教之后，一个很现实的问题摆在了程和平面前。

为爱远行大浪漫

程和平是个非常看重家庭的人。上世纪80年代末，他在北大求学期间，国内赴美深造之风渐起，程和平却不为所动。他说：“我一点儿都不想出国，因为北大的环境非常好，我的导师都是非常厉害的人。”程和平的夫人肖瑞平是医学生物学背景，为了自己的事业，她不得不新婚三个月就远赴美国波多黎各大学从事研究。这下程和平不“淡定”了，“没啥好说的，我也去呗！”

没考托福，没考GRE，凭着北大9年的专业背景和当年波多黎各大学非常开放的招生政策，程和平硬是“先上车后买票”，直接成了波多黎各大学生理学及生物物理学系研究生。可不到一年，肖瑞平又因为事业升级的关系，去了马里兰州巴尔的摩城美国国立卫生研究院老年所。程和平二话没说，打算追随夫人去马里兰大学医学院生理系读博。

想进马里兰大学医学院并不容易。程和平想要报考的导师W，J，Lederer（下文简称L）是业内知名学者，他本人当时根本就不招研究生，只有博士后才能进实验室。得益于肖瑞平的力荐，L破天荒地把电话打给了还在波多黎各大学的程和平。

彼时的程和平英语还说不利落，但却给L留下了很特别的印象。后来L谈起这段经历时，对程和平笑着说：“别看你说话都结巴，但每句话都能切中要点。”之后恰好L去波多黎各大学做学术交流，于是他便在校园内对程和平面试了一番。

第三次面试则是在L的实验室进行的。

L很坦率：“Peace（程和平的英文名），之前你说你物理也会，生物也会，无线电也会，叫我如何相信呢？”程和平打开手提箱，拿出厚厚一沓纸：“这是我的生物学论文和成果，這是我的无线电学论文和成果，这是我的力学论文……”看罢论文，L被当场征服了，他直接带着程和平找到招生办主任说：“这个人我要了！”

喜获导师首肯的程和平却先跟导师谈起了条件：“L先生，在我成为你的研究生之前，我必须要搞明白你对一件事情的看法，那就是，我学成之后是肯定要回中国的，你会不会觉得培养我是浪费时间？”“不，如果你学成之后回国，开枝散叶，我只会以你为荣！”L坦荡的胸襟打消了程和平最后的顾虑。

作为L先生当时唯一的研究生，程和平在马里兰大学医学院期间深度参与了许多L的科研课题。但是程和平是个很有“个性”的学生，面对导师留给他的“电生理”作业，他不是很“上劲”，却对实验室角落里的一台二手共聚焦显微镜产生了浓厚的兴趣。

当时，共聚焦显微镜价格非常昂贵，即使在L的实验室，也只有一台二手货。由于无人维护使用，整台机器处于半报废状态。这时候，程和平的无线电学知识就派上了用场。1992年的圣诞节期间，程和平与回实验室作学术度假的师兄一起，在实验室泡了整整一周，愣是自己改电路，校调光路，把这台机器给重新调试成功了。

这还不算完，为了完美地观测到心肌细胞的活动，他们又自己设计加装了让观测信号与拍照信号同步的装置，还把整台机器的“眼睛”——光电探测器——升级到当时最好的版本，并采用了当时最先进的FLUO-3探针。谈到调校设备，程和平非常自豪：“当年我拍的图像你去看看，跟最新的显微镜拍出来的效果差得都不多！”就是用这台改造的二手共聚焦显微镜，师徒三人观测到了心肌细胞中钙离子释放的最小单位，并将其命名为“钙火花”（Calcium Spark）。

“钙火花的生日是1993年1月12日，当时我们三人一起想名字，最后大家集体决定用这个名字！SD ark！多浪漫！”谈到这个名字，他开心得像个刚买了恐龙模型的小男孩，“可惜中文没完全翻译出那个韵味。”

然而，钙火花的论文在投给《Nature》后，却被无情地拒绝了，“连送审那一步都没到。”改投《Science》的过程也异常艰辛，几个月的时间里，在被修改了47遍后，论文才登上杂志。几年后，《Nature》也发表了他的另一篇有关钙火花的文章。

在程和平的科研历程中，钙火花的发现是一个里程碑事件。马里兰大学甚至将这一事件做成铭牌，镶在发现钙火花的实验室墙上。他发表的有关钙火花的论文，在整个心肌学100多年的历史上排进了前十，足见其含金量之高。由钙火花概念又衍生出了一系列的多达20个钙火花家族成员，其中近半由程和平参与研究。

也许是因为这一发现实在有点超前与出人意料，直到1997年程和平去贝勒医学院讲学时，还有学者私下问他：“你这东西是真的吗？”质疑声不但来自外部，还来自内部。程和平在L实验室的一位博士后师兄在钙火花论文发表一段时间后，突然拿着厚厚一摞实验数据找到L：“钙火花是假象，我用双光子显微镜都看不到！你们应该把论文给撤了！”

双光子显微镜是当年全世界最先进的光学断层扫描设备，也是共聚焦显微镜的下一代产品。在L的实验室用老设备发现钙火花现象之前，程和平就曾奔赴纽约康奈尔大学，用世界上第二台（第一台为原型试验机，也在该大学里）也是当时唯一的一台用于生物学实验的双光子显微镜实现过心肌细胞线粒体成像，可是如今却遭到了身边人的质疑。

程和平并没有多想，“这是非常健康的学术质疑。”他仔细检查了师兄的实验数据，发现师兄并没有采用合适的探针和实验条件来观测。为了打消更多的质疑，也为了让更多的同行能从钙火花成果中受益，程和平决定设计出一套从图像中自动探测钙火花的算法，以摆脱人工观测的主观性。因为只要把可重复性做好，实验结果可信度自然会高。

但是要创造出这样的算法，不仅需要知识的积累，也需要机缘。程和平是在跟夫人一起去听交响乐的时候，突然来了灵感。“当时音乐会听到一半，我突然来感觉了，我就走出音乐厅，在一边构思，等到音乐会结束时，这个算法基本已经在我脑子里成型了。后来《BiophysicalJournal》在发表论文的时候还专门把整段代码都附上了，这可是很少见的事。”谈到这个算法，他颇为得意：“我的一位美国同事听到一点风声后打电话来问，是不是人工识别后自动测量。我回答是识别测量全自动，他沉默了半天才说，‘怎么可能呢！”在图像处理软件部分，学过C++的他一开始准备自己写，写了两个月后觉得工程量太大，找来找去找到了NASA（美国宇航局）用于图像处理的商业软件。时至今日，这套成像软件依然是钙火花领域研究者的标配。

学成报国有担当

1998年，当生物膜国家实验室遇到发展困境的时候，时任实验室轮值领导人的北大教授吴才宏找到了程和平：“北大有困难啊，这实验室是动物所、北大、清华三家轮流坐庄，我们已经遇到一次黄牌警告了，再有一次，这个实验室就要解散了，我可不能当这个末代皇帝！”程和平二话不说，从此开始了往返中美的“洲际飞人”生活。时间长了，吴教授对程和平坦言：“干脆你就回来建个实验室吧，继续你在美国的研究。”程和平很实在：“吴老师，我不光烧钱，我带出来的学生也都烧钱，你一年给我几百万，我最后可能只能给你几个Papers（论文）！”吴老师也不含糊：“搞科研哪有不烧钱的！但真正的突破还是要靠基础研究！”

说干就干，就在同年，未名湖畔的一栋小楼里建起了实验室，几百万的设备说到位就到位，北大的信任和魄力也深深打动了程和平。久居海外的游子对故国的眷恋之情也愈加浓烈，2003年，他终于下定了决心：“我要回国！”

程和平在回国前最担心的并不是自己的待遇，而是国内能否有像海外那样成熟的科研软硬件环境。时任九三学社中央主席、全国人大副委员长的韩启德在了解到他的困难之后，亲自帮他在国内联系各部委去拜访，帮着理顺各个环节以成立北大分子医学研究所。

次年，审批下来了：2005年，经费也到位了。就在这时，美国NI H（美国国立卫生研究院）也给了程和平一份沉甸甸的大礼：终身职位。“这个终身职位含金量还是非常高的，要有20位同行专家推荐信，下面20多个院长一起投票。待遇当然不用说，年薪人民币百万吧，在学术界地位也很高。”但在2006年初，程和平还是毫不犹豫地辞去了该职位，回国发展。

回到北大之后，分子医学所的筹建工作却并不如预想的那样顺利。在各项事业遭遇严重困难时，程和平的美国原上司在电子邮件里对他表示，只要他回去，就立即恢复他的终身职位。经过激烈的思想斗争后，程和平态度坚决地回复：“我不能把船开到一半就扔下不管了。”

“我回国之前就做好了三套打算。如果回来有足够的经费，我就培养一批人才，让他们跟我一起做实验研究；如果经费有限，我就致力于计算，一支笔一台计算机搞些理论研究：如果我们真的连计算机都买不起了，那我就去教书！反正不管怎样，我相信我总能发挥作用！”抱着这样的心态，再没有什么困难能难倒他。

见微知著举世惊

2012年，国家开始在基础科学高端裝备自主研制方面加大投入。2014年，程和平接到了国家任务：把双光子显微镜微型化，用于脑科学领域当下急需的对自由运动的动物实时观测神经元集群的活动。

双光子显微镜并不是什么新鲜事物，早在1990年就已面世。它体型庞大，有几百公斤重。如何把这么大这么重的仪器的核心成像元件缩微到指甲大小，让体重30多克的实验小白鼠能够“带着跑”，同时还能看得见神经元，看得见细胞里面的“钙火花”，才是任务的困难所在。

时至今日，对于当年在审批计划答辩时与国家自然科学基金委主任的对话，程和平仍然记忆犹新。“主任问我，你要的这个钱能买400多辆小汽车，你能交给我什么？我说，我只能给你一个15克的东西，没准还更轻。”说时容易做时难，这种国家级的项目“只许成功，不许失败”。程和平要做的事，之前已有许多顶级高手尝试过，但都没做成，就连专攻显微成像的专家都觉得不可能。

2015年，程和平与同事去斯坦福大学交流，拜访国际上单光子显微镜微型化最成功的科学家。对方非常不看好这个项目的前景：“Peace，你做不出15克的，做到150克也许还有希望。”

但是程和平相信自己组建的跨学科团队，相信团队设计的技术路径。经过不断探索，不断学习，2016年，微型双光子显微镜问世了。显微镜成品只有2.2克，小白鼠可以轻松地戴着自由行走，得到的实验数据也非常理想。2016年年底国际学术交流时，那位质疑程和平的科学家看到了相关报告的海报，大吃一惊，马上把自己整个团队还有他的公司成员都叫来看他们的海报。

“2.2克”一经问世就引起了轰动。2014年诺贝尔奖得主，研究“大脑GPS”的科学家的团队闻讯直接找到课题组寻求合作。一开始这位科学家派来了他的助手和学生来北大做实验，两个人拿到实验结果，当场就兴奋得跳了起来，赶忙把数据发回给他，他看了之后却因为“数据太完美了”而心存疑窦，直到一个月后亲自跑了一趟才心悦诚服。目前，已经在他挪威的实验室获得了一批好数据并提交了一个会议摘要。美国脑计划共同主席接受《光明日报》采访，被问及“您觉得中美在脑科学领域有哪些互补之处”时，第一个提到的就是这个2.2克的双光子显微镜。

“顶天立地”向未来

写出了学科前十的论文，做出了世界顶尖的设备，但程和平最引以为傲的成果却不是这些，而是他的团队。“我这团队里的40来人，都是我亲自挑的，多位同学都是在国际机器人大赛中得过金牌的，他们跟着我们团队干这五年（科研项目的周期一般为五年），我敢说，出去以后，到处都会抢着要他们。”

今年春游，程和平给团队中的每位同学各发300块钱，要他们专款专用，去国家大剧院看戏听音乐。在程和平看来，没去过大剧院是一种损失，音乐和艺术能给他们带来更多的启发。

“我们跟踪的、修桥补路的工作做得太多了。人家国外搞出来一个新概念，我们就跟着做成果，我们写的论文越多，人家得大奖越快！我觉得科研发展分为三个境界，从论文数量，到论文质量，最后再到能否开辟一个新领域。我们不能老在别人的‘地里种庄稼，我们要去开辟自己的天地。我和同事们常以此互勉。”

程和平眼中的“地”已经不再局限于具体的科学成果了，他想得更多、更远。我国“十三五”规划中有十大科技设施，每个造价都上了十位数，程和平作为首席科学家领衔设计的“多模态跨尺度生物医学成像中心”就位列其中。这是我国生命科学和医学领域的唯一入选项目，初步选址在怀柔，光是硬件与基建造价就近18亿。

大设施是国之重器。在程和平看来，参与大设施建设很光荣，但同时他也深感责任重大。“以前我们国家没有投入这么大财力、人力与雄心的重器，仪器创制能力极为薄弱，别人不怎么关注，现在全世界的同行都在看我们。”程和平的团队在海外交流时，美国一所名列世界TOP10的学校就对他们表达了羡慕之情。这所学校也有一个相似的计划，但却因为经济危机而搁浅了。

“九三学社是我娘家，王选是我的偶像，我刚回国就买他的书看。他说搞科研就要‘顶天立地，最后他搞出了一个领域，而且形成了产业。”如何把专利论文变成产品，如何把独一无二的产品变成国家科技产业竞争重器，是程和平团队正在思考、正在谋划的事情。“我们的时间表就在实验室门口挂着，到目前為止我们都在按照计划走，再给我五年，希望咱们能有精彩的故事！”

责任编辑：马莉莎