果壳网专访,山镇里的反

《外滩画报》供稿 文/周一妍 摄影/Rachel
Papo 编辑/戴旺财

(文/ Yojana
Sharma)努巴哈尔•沙里夫(Naubahar
Sharif)已经在香港科技大学任教数年时间,最近在大规模网络公开课(MOOC)平台Coursera上推出了由他本人主讲的“科学、技术与社会在中国”课程,这被认为是亚洲第一个大规模网络公开课程。

今年4月25日,《科学》杂志纸质版和在线版同时刊发了一篇论文:科学家终于首次解析出30nm染色质的高清晰三维结构。恰好61年前的同一天,沃森和克里克发表了现代生物学中里程碑式的DNA双螺旋结构。为了更好地了解DNA如何包装成染色体,科学家们一直致力于与破解装配过程中的各种结构。然而,染色质包装过程中的承上启下的一个关键部分——30nm染色质的结构,自被观察到起就一直伴随着争议与困惑。直到今年,这一困扰了学界30多年的结构,才终于被中国科学家解析出来。果壳网随即报道了这项成果。

2012年底,女摄影师Rachel
Papo完成了对美国卡茨基尔山区小镇4个“在家上学”家庭的拍摄,试图寻找这种另类教育方式与传统学校教育的差别。“在家上学的孩子比同龄人更成熟。”Rachel在接受《外滩画报》专访时说,“我不清楚这种方式是否会对他们的将来具有积极影响,但在我眼中,他们自由、快乐、充满创造性,偶尔也会感到生活有点无聊。”

该课程自4月4号在网上接受报名以后,有17000多名学生报名,这让从事科学、技术和创新领域教学的副教授沙里夫喜出望外:“我们原预计会有8000-10000人报名,现在已经远远超出了这个数字,这让我受宠若惊!”报名者中,有60%来自美国、英国、加拿大等发达国家,其他报名者来自墨西哥、巴西、南非以及一些亚洲的中等收入国家。

图片 1朱平(左)手持30nm染色质左手螺旋模型,李国红(右)手持DNA双螺旋模型。图片来源:李国红

距离纽约两小时车程的卡茨基尔(Catskill)山区被美国人视为“桃花源”。它位于纽约州哈德逊河以西,保留着淳朴的自然风光,景色优美,是厌倦喧嚣的纽约人的“后花园”。在一片空气清爽的山林里,7岁的金发男孩Morgan穿着T恤衫在一间略显简陋的林间木屋里看书,时不时有一两只小鸟停在他脚边觅食,途经木屋的小松鼠偶尔也会朝里头探头探脑。Morgan已经到了美国法定上学的年龄,但他的教室没有四面白墙,而是专属于自己的林间小屋。Morgan的妈妈曾是一位全职中学老师,她深受华德福教育理念的启发,认为儿童在年幼时需要在学习中强调想象力的培养,于是她辞了职,成为了Morgan的专属私人老师。

作为世界三大MOOC平台之一的Coursera此次与香港科大的合作是为了吸引更多的亚洲学生——尤其是中国学生参与MOOC学习,Coursera希望开拓在亚洲,尤其是中国,的公开课市场。
沙里夫说:“也有一些来自中国的网络条件较好地区的学生报名了我们的课程,但最令我们兴奋的,是整个学生群体国籍的多样化!”

做出这一成果的科研团队有中国科学院生物物理研究所的李国红和朱平共同带领。朱平和李国红两位研究员都是在国内读书,国外深造,分别在2008年和2009年从美国回到中国,以“百人计划”研究员的身份在中科院生物物理所开展研究。

Morgan房间的墙壁上有一张彩色日程表,上面画满童趣的蜡笔画,全部出自Morgan之手。摄影师Rachel
Papo受邀拜访了这个在家上学的家庭,并拍摄下Morgan每天上午的课表:周一单词课和森林探索,周二音乐和图书馆阅读,周三诗歌和自由玩耍,周四音乐盒玩耍,周五音乐和手工。每天下午时间被Morgan称作“午时冒险”,除了运用智力外,还都需要点体力,比如周一烘焙,周二足球,周三周四缝纫,周五则是环林自行车。(如果你也对自学感兴趣,可以来MOOC自习教室看看)

然而,如何定位课程深度却是一个难题。沙里夫说:“报名者五花八门,有年纪较大的,也有很年轻的;有工作经验丰富的,也有初学者,甚至还有一些专家!”

李国红和朱平可能是当代中国一线科研工作者的典型代表:他们学有专长,配合默契;坦诚合作,完美互补。发文章,他们不忘爱人的牺牲与支持;教学生,他们谨遵导师的言传身教;谈科研,他们倡导兴趣为本,踏实钻研。中国科研的发展,离不开这些年轻而实干的科学家。

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喜欢探索外面的世界,这张照片拍摄于一个夏日的暴风雨后。她非常兴奋地跑出去,展示她的呼啦圈新技巧。

把更多亚洲课程搬上Coursera

在与Coursera的合作中,香港科大负责提供课程内容,并拥有课程的版权,Coursera作为发布课程的平台,两者各展所长。很多世界知名大学都与Coursera合作在其平台上发布网络公开课程,因此,对于希望寻找可靠的网络公开课资源的人来说,Coursera是一个值得信赖的去处。因此,借助Coursera平台,香港科大的网络公开课也有机会被更多人了解。

对于沙里夫来说,把传统课堂搬到网上也需要做大量功课。他要准备大约30个视频及相关资料,将传统课堂上讲授的内容进行重新编排和修改,以适应网络教学的需求。

沙里夫在接受《世界大学新闻》(University World
News)采访时表示:“尽管我不知道我的学生们是谁,但我还是给予他们最大的尊重。”实际上,准备一堂网络公开课要比准备一节传统课程花更多时间,沙里夫说:“但想到网上有这么多人会听我的课,为他们花更多的时间和精力也是值得的。”

香港科大计划还将在Coursera平台上推出其他网络公开课程:分子生物医学科学系的周敬流教授及化学系的杨霖龙教授将主讲“烹饪的科学”,课程特别包括了与中国美食有关的内容;另外一门中国历史课程也将搬上网络平台。

在香港科大成为第一个推出网络公开课的亚洲高校后,香港中文大学也紧随其后,他们计划9月在Coursera开设一门关于人民币国际地位的课程。

日本的东京大学也准备在Coursera上推出自己的公开课,9月他们将开设“宇宙的演变”课程,10月份开设“和平与冲突”课程,所有课程都将采用英文授课。

另辟蹊径,攻破卅载难题

果壳网:能给我们介绍下这是一个什么样的研究吗?

李国红:这是一项非常基础的研究,简单地说是研究我们基因组如何包装。我们知道,在高等生物个体中,不同类型的细胞含有相同的DNA遗传信息,但却具有不同的生物学功能。生物学中一个最根本,却又悬而未决的问题是:拥有相似或相同DNA的细胞乃至物种,是怎样决定各自不同的命运的?

构成人体的细胞形态大小各异,大的细胞如卵子直径可以达到130
微米左右,小一些的细胞直径只有5~6
微米。一个人体细胞中的基因组DNA长度加起来长达2米。这么长的基因组DNA到底是如何被“塞”到平均直径仅有几微米的细胞核里去的呢?

在现代生物学的教科书里,这一过程是通过染色质折叠来完成的,四步折叠分别对应着染色质的四种结构:第一级结构是核小体,它是DNA双螺旋“绳子”缠绕在组蛋白上而形成的;第二级结构是核小体进一步螺旋化形成30nm螺线管(solenoid),这里6个核小体组成一圈形成中空结构的管状螺旋体,即30nm染色质纤维;第三级结构是由螺线管再进一步螺旋化成为直径为0.4微米的筒状体,也称为超螺旋体;第四级结构就是可以在光学显微镜下看到的染色体,它是由超螺旋体进一步折叠盘绕成的。

图片 3经典的DNA包装过程示意图。图片来源:Annunziato,
2008, Nature Education, 1(1), 10-9

以上关于基因组DNA的凝缩模型,是目前科学界关于DNA、染色质和染色体组成的基本认识。但是,由于缺乏一个系统性的、合适的研究手段和体系,目前针对30nm染色质纤维这一超大分子复合体的组装和调控机理展开的研究还十分有限,它的精细结构组成也备受争议。30多年来,30nm染色质纤维高级结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大挑战之一,这也正是我们所研究的科学问题。

果壳网:论文的审稿人说这一结构是“迄今解析的最有挑战性的结构之一”,破解这个结构为什么重要?

李国红:一是了解这个结构让我们对基因组的折叠模式有了更进一步的认识。更重要的一点,则在于这为理解表观遗传调控提供了一个结构上的基础。30nm染色质是以4个核小体为结构单元扭曲形成的,这种结构单元中的空隙刚好为表观遗传调控提供了一个窗口。

图片 4以4个核小体为结构单元,扭曲而成的30nm染色质结构。图片来源:中科院生物物理所

DNA甲基化怎么让基因转录沉默、组蛋白的各种修饰怎么调节转录,30nm染色质的结构为解释这些表观遗传的基本问题提供了可能。表观遗传事件遍及发育、分化、干细胞、肿瘤发生和衰老过程等重要的生命活动,后续我们要研究表观遗传调控的机理,就必须攻克这个结构。

果壳网:在你们制作的介绍研究结果的视频中,我们看到了一个非常有设计感的封面——哪吒闹海,为什么会有这样一个中国风的设计?

朱平:这个设计大部分是李老师构思的。图片展示的是DNA的整个包装过程。
这个包装过程弯弯曲曲的,跟龙的形态有点像。这个工作又是在中国做的,正好跟龙有关系,于是就有了这个创意。

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龙嘴前面这个龙珠表现的是细胞核里的染色体。哪吒和龙在中国文化中关系密切,我和李老师的小孩都特别喜欢哪吒,所以我们就在龙身上加了哪吒的模型,并把风火轮、乾坤圈、混天绫等元素都放了进去——脚踩的风火轮是核小体,乾坤圈则模拟放大镜,表现我们用电镜看到了30nm染色质的结构。我们觉得这个图做得挺漂亮的,《科学》之前让我们设计个封面作为候选,可惜提交给《科学》的时候已经晚了。没能成为当期的封面,还挺遗憾的。

果壳网:30nm染色体的结构已经困扰了学界30多年,最初是什么吸引你们开始做这样的课题的?

朱平:30nm染色质的结构本身是一个很重要的科学问题。李老师是表观遗传学背景的,他从硕士开始就一直在做相关的工作,而我一直在做冷冻电镜这一块。我俩的特长结合起来,可能是解决这个问题比较好的组合。那时生物物理所也正好把电镜平台建立起来,是目前世界上最好的电镜平台之一。所以,我们既有一个好的科学问题,所里又有这个技术,就为解决这个问题提供了一个好的时机。

果壳网:你们这项研究中,电镜的成像分辨率是11埃(1埃=0.1纳米),这是个什么水平?

朱平:其实这项研究中电镜的分辨率谈不上很高。我的实验室做病毒结构时,电镜分辨率可以达到3点几埃。但要达到这种分辨率,对样品本身有一定的要求。所以,光从数字来说11埃不是一个很高的分辨率。但在这个项目中分辨率能达到这个水平,也比我们想象中要好得多了。在目前的分辨率下,我们能看到很多细节,包括DNA的大沟、小沟,据此建立的模型是一个比较准确的模型。当然,分辨率肯定还有提高的余地,我们现在还在做。

果壳网:你们的研究结果发现30nm染色质是以4个核小体为一个单元。之前学界以6个核小体为一个结构单元的假说是否被推翻了?

李国红:教科书上的那种结构在细胞内是否实际存在,我现在还不能下定论。但至少在我们的实验条件下,比如说DNA是177到187bp的长度,加入组蛋白H1等条件,做出来是这样。我们需要弄清现在这个结构是不是唯一的30nm染色质结构,我和朱老师在这方面会进一步合作,尽快回答这个问题。

过去的一年半时间里,美籍以色列摄影师Rachel
Papo用镜头记录下了Morgan和其他几个住在卡茨基尔山区小镇里在家教育的家庭。2012年12月,Rachel完成了这组名为“在家上学”(Homeschooled)的私人摄影项目。她在个人官方网站上这样写道:“我希望这些照片能让人们抛开种种成见,(通过照片)更真实呈现这种另类教育方式中成长的孩子,他们的状态、心情、环境,以及与在教室里成长的孩子究竟有何不同。”

Coursera进入中国市场没那么容易

如果MOOC想要吸引更多中国学生,首先面临的是语言问题。在全球所有MOOC学习者中,中国学生人数在所有国家中列第十位,而美国学生占了总人数的35%。降低语言门槛是在中国推广MOOC的关键,Coursera计划在8月推出中文授课的课程,目前基本确定的有国立台湾大学的中国历史课程和香港中文大学的京剧课程。
另外目前为了满足一些地区学生的要求,Coursera给有些课程配上了中文或俄语字幕;香港科大也准备在他们的一些课程中添加普通话音轨,以满足部分中国大陆学生的需要。Coursera希望香港科大能增加中文授课的MOOC数量,但香港科大首席副校长办公室的毛大伟(David
Mole)博士表示,这目前还不是他们的首要任务。

包括Coursera在内的很多MOOC平台也都在积极与中国大陆高校寻求合作,希望在中国市场占据一席之地。但看很多人认为,Coursera这种国际MOOC平台想进入中国大陆存在相当大的困难,尤其是会面临政策的限制。中国官方希望中国大陆高校的公开课都在中国自己的MOOC平台上运行。据北京的一位消息人士表示,目前中国大陆高校的教授可以以个人名义在类似于Coursera的平台上推出课程,但中国的大学则必须与受到官方监管的本土MOOC平台合作。

清华大学计算机科学与技术系副主任孙茂松教授在本月接受一家官方媒体采访时表示:“中文课程当然要在中国而不是美国制作。”然而3月26日他却邀请了Coursera联合创始人,斯坦福大学教授吴恩达(Andrew
Ng)到清华大学进行了一场讲座。

毛大伟表示:“用不了多久,那些有兴趣在中国做MOOC平台的人就会开始观察研究MOOC的运作模式,并思考如何打造一个适合中国国情的MOOC平台。”他还补充:“在香港科大,我们很早便有前瞻性地开始与中国大陆高校展开合作。一些课程的电子资料的交流也是合作的一部分,如果中国大陆的学校准备建立一个类似Cousera的平台,我们合作中的内容也具有一定参考价值。”

踏实科研,合作不分彼此

果壳网:跨专业或者交叉学科的科研合作现在似乎成为科研工作的一个趋势,你们二位的合作可以算是一个非常成功的例子,你们觉得这种合作中最重要的是什么?

朱平:我们两个专长很不一样,所以在合作过程中,很重要的一点是毫无保留——他做了一个新东西会告诉我,而我这边看到一个什么新结构也会马上告诉他。来回反馈、互相交流非常重要。包括我们培养学生也一样。李老师在美国还没回来时就已经在指导我的学生做样品了,虽然现在样品制备工作慢慢转移到他的团队,但是如果我有学生想做这个,我就会把学生送到他那去。大家在这种愉快的环境下共事就很好。

李国红:我们俩性格都比较温和,不会咄咄逼人地去争这个东西谁贡献大。我们团队内部都是以做事为主。我们希望通过多年的合作,达到世界顶尖水平,把这个问题彻底解决。

果壳网:回顾你们的科研生涯,你们觉得对你们影响最大的人是谁?

李国红:对我影响最大的人不止一个,我先后几位导师对我影响都非常大。我硕士毕业时,我的两位导师,林克春老师和李刚老师借钱给我去德国留学,而他们自己都不是很富裕。我在德国和美国的导师则对我特别严厉,但他们本人比我现在还勤奋,正是这种严格的科学训练造就了现在的我。另一个对我影响最大的是我的爱人。我辗转几个国家、城市,她都放弃了自己的工作和读博的机会追随我。没有她的支持,我很难走到现在这一步,我真的非常感谢她。

朱平:我是农村出来的,我的父母一直秉持的理念是,无论我能读到什么程度,他们都尽全力支持,所以我非常感谢我的父母。我爱人对我的影响也特别大。我要回国的时候,她在美国已经有一份很好的工作。她放弃工作跟我回来,做了很大牺牲。在学术上,我也很感谢我的几任导师。因为他们对我的教导和耐心,所以我现在对学生也是这样。

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