謝燦：在一個未知的旅途，我路過一座豐碑 | 紀念Klaus Schulten
?Klaus Schulten
撰文 | 謝燦（北京大學生命科學學院）
責編 | 李曉明
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有朋自遠方來，不亦樂乎？2016年11月1日，一位認識多年的摯友從美國來北京，約了幾位朋友一起小酌。我不是貪杯之人，但是和朋友圍坐敘舊，聊聊理想與科學，確是人生快意之事。
相談甚歡之際，手機突然響起，一個email進來——Klaus Schulten教授今日剛剛去世——突然之間，竟然不知所措，百感交集。杯中酒百味夾雜。
對我來說，Klaus Schulten是磁感應，動物遷徙和生物導航研究領域的一座豐碑。當心中的一座學術豐碑轟然倒塌，是感傷而不能自已的一件憾事。
如果將鏡頭回放到二十世紀六七十年代，這一領域開始孕育和蓬勃發展之際，由於人們對磁感應和動物遷徙的機理幾乎一無所知，各種狂野的猜想，尖銳的批判共存，想像力和創造力如同煙花一樣綻放在科學的夜空中。
1965年，Wolfgang Wiltschko剛剛完成證明鳥類能夠感知和分辨磁場的方向的實驗（Wiltschko and Merkel, 1966）。其後他遇到了他未來的夫人，1972年，Wiltschko夫婦證明知更鳥使用一種磁傾角羅盤進行遷徙，但工作原理尚未可知（Wiltschko and Wiltschko, 1972）。諸多充滿玄幻色彩的假說和模型盛行一時，但因為缺乏科學基礎，又紛紛落幕。
?Wolfgang Wiltschko（右）, Roswitha Wiltschko（左）。來源：Eigenes Werk
同一時期，Klaus Schulten，一個天才的物理學家，剛剛獲得他的化學物理學博士學位，在Max Plank 研究所謀到了一個職位。他猜想光激發的高速三重態反應中的一對電子處於量子糾纏態，並推算得知其單重態（Singlet）到三重態（Triplet）的轉換速度受磁場調控，據此提出了他後來非常著名的自由基對假說（Radical Pair Model, 也被稱為Chemical Compass Model，也即化學指南針假說）。他進而大膽地推測這一反應可能構成了動物磁感應和鳥類遷徙的基礎。
他是一個純粹的理論物理學家，註定了他不能（或者不願？）穿上實驗服去驗證自己的理論。他因此成了眾人眼中的瘋子，並被實驗室的負責人Hubert Staerk質疑，因為後者的實驗證明這個理論是錯誤的。然而，當心灰意冷的Klaus在瀏覽Staerk給他的實驗結果時，驚喜地發現其實Staerk的結果恰恰是他所期望的結果。1976年Klaus在德文期刊上發表了他的理論推測。1978年在英文期刊上正式提出了這一假說而廣為人知（Schulten and Weller, 1978）。其中一個插曲是，當時Klaus最初投稿的是Science，但是被editor認為「稍微有點自知之明的科學家都會把這種猜想丟進廢紙簍里」。
?Klaus Schuten 1978年的論文。較為完整地描述了磁感應和動物遷徙的Radical Pair假說（也稱為化學指南針假說）。
值得一提的是，1978年，Klaus在哈佛大學的演講中，被著名科學家Dudley Herschbach（其後獲得諾貝爾化學獎）當眾質疑「鳥的身體哪裡有激光呢？」Klaus冷靜地回答「可能發生在鳥類的眼睛中」。其後22年間，這一假說無人問津並一直被當做異想天開。2000年，Klaus和他的學生進一步撰文認為，存在於動物眼睛中的隱花色素Cryptochrome （簡稱Cry）符合他們預測的所有條件，並預測Cry就是化學指南針機制的可能的分子（Ritz et al., 2000）。其後更進一步完整地推導出他們假想中模型的細節（Solov"yov et al., 2008）。在2008年，Klaus Schulten的這一預測被Steven Reppert實驗室通過果蠅的基因敲除實驗所證實（Gegear et al., 2008），其後，在Peter Hore等一大批著名科學家的推動下逐漸發展和完善。
?Klaus Schuten 和他的學生Thorsten Ritz在2000年的論文。第一次預測Cry是可能的磁感應受體。
?Klaus Schuten 和他的學生Ilia A. Solovyov在2008年的論文的圖一。詳細闡述了Radical Pair Model的細節。
儘管基於Cry的化學指南針假說從提出伊始就一直被挑戰，包括我自己也並不認同，但無可置疑的是，Klaus Schulten的這一工作是理論先行的經典範例（我個人認為可以與Peter Mitchell的化學滲透假說相媲美
我一直對Klaus的創造力和想像力充滿崇拜，然而，我認為化學指南針假說不足以解釋磁感應和動物遷徙的分子機理。2009年回國加盟北大後，我開始了自己的探索之旅。我堅信動物磁感應的受體其實另有玄機，而Cry只是其中的一個關鍵部件。因此，某種意義上，Klaus既是我崇拜的科學家，也是我尊重和敬佩的一個對手，或者說是我希望能夠逾越的一塊豐碑。
於是六年後，2015年11月16日，我們在Nature Materials上發表了自己的工作，某種意義上否定了（或者部分否定了）Klaus Schulten的工作，提出了真正的磁感應受體是我們找到的MagR，而Klaus 提出的Cry只是光磁偶聯的複合機器中的一部分。
兩天後的11月18日，我接到Klaus Schulten的email，那是我和他的第一次直接接觸（儘管我對Klaus Schulten 神交已久，但一直沒有機會見面）。他的email全文如下：
「Dear Dr. Xie,
My compliments to your very interesting Nature Materials paper on 「A Magnetic Protein Biocompass.」
I very much enjoyed reading your paper and thinking about what your magnetosensor system means for biological magnetoreception. Clearly, you opened a new door to the field with adding the MagR polymer to the picture, so far dominated by Cry alone.
I would like to ask you for the pdb file of the complete magnetosensor system to follow your arguments in detail. I completely understand that your structure is just a first model and my intention in looking at the pdb file is solely to follow your arguments in your paper and to be inspired by your great finding, not to criticize it. Should I have any question or critique I would communicate it to you and discuss it with you.
Again my compliments and best wishes to your co-authors and you, Klaus Schulten」
記得當時接到這個email，我心中非常激動，寫了一個長長的email，詳細介紹了我們的工作，對動物磁感應分子機理的推測和我們的證據，同時附上了我們的分子模型以及其他的相關資料。Klaus馬上回應說他會仔細思考並推敲MagR和Cry之間的關係（「 I look very much forward seeing it up close! Looking forward to get back to you and discuss the partnership between Cry and MagR further」）.
其後，從友人口中得知Klaus的身體狀況其實很不好，心裡一直希望他能康復過來。
生活仍在繼續，我們的研究也在持續而堅定地往前推進。2016年10月29-30日，在桂林召開的《光合作用與生物導航相關的物理過程》會議中，孫昌璞老師，喻進老師（Klaus的學生) 和我剛剛商定聯合邀請Klaus Schulten教授訪問北京事宜。我們都非常exciting（興奮）並充滿期望。然而，世事竟然如此無常，兩天後，我們驚聞Klaus Schulten已經離我們而去。想來，我們參加的這次研討會竟成了對Klaus 早年工作的一個具有特別意義的回顧！
夜深，酒漸醒，心中竟悲愴莫名，為一個天才的物理學家或者說生物物理學家的突然逝去。但是，Klaus Schulten早年的工作在這個領域樹立的豐碑將永遠留存在我們的心中。想想也是，我們，無論是已經逝去的，還是正在前行的，其實都在科學的旅途中，經過很多傑出的科學家們在路途中樹立的一座座豐碑，都只是為了一步步地逼近真理。而這些豐碑，無論被推倒的，還是被越過的，都將被經歷此路的科學家銘記在心。
2016年11月1日深夜，謝燦於北京大學燕東園。謹以此文紀念Klaus Schulten的去世。
參考文獻：
Gegear, R.J., Casselman, A., Waddell, S., and Reppert, S.M. (2008). Cryptochrome mediates light-dependent magnetosensitivity in Drosophila. Nature 454, 1014-1018.
Mitchell, P. (1961). Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature 191, 144-148.
Ritz, T., Adem, S., and Schulten, K. (2000). A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys J 78, 707-718.
Schulten, K., and Weller, A. (1978). Exploring fast electron transfer processes by magnetic fields. Biophys J 24, 295-305.
Solov"yov, I.A., Chandler, D.E., and Schulten, K. (2008). Exploring the possibilities for radical pair effects in cryptochrome. Plant Signal Behav 3, 676-677.
Wiltschko, W., and Merkel, F.W. (1966). Orientierung zugunruhiger Rotkehlchen im statischen Magnetfeld. Verh Dtsch Zool Ges 59, 362–367.
Wiltschko, W., and Wiltschko, R. (1972). Magnetic compass of European robins. Science 176, 62-64.
附註一：
Klaus Schulten 不只是在磁感應、動物遷徙和生物導航做出了卓越的開創性的成就，同時也因為在分子動力學和結構模擬領域的成就而廣為人知。他開發的兩款軟體NAMD及VMD在這一領域幾乎無人不知，在全球被廣泛使用。發表學術論文700多篇，總被引用超過80000次。
附註二：
本文還參考了兩本著作：
1，Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology （by Johnjoe McFadden and Jim Al-Khalili ) 及其中譯本《神秘的量子生命》
2，Historical Series: Magnetic Sense of Birds (That Nest of Wires We Call the Imagination: A History of some Key Scientists Behind the Bird Compass Sense
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