如何從0到1完成生命科學(xué)研究 | 生科人
本文作者?Tadpole?| 公眾號(hào)?biokiwi
本文關(guān)鍵詞?生命科學(xué) 科學(xué)研究 課題設(shè)計(jì)
顧名思義，生命科學(xué)是一門專門研究生命的科學(xué)。
但如何從0到1完成一項(xiàng)生命科學(xué)研究呢？
這個(gè)問題，我們打算從大家初中剛接觸生物的時(shí)候講起。
其實(shí)，早在大家初中接觸《生物學(xué)》的時(shí)候，就得以窺見這個(gè)學(xué)科里頭最根本的方法論：
提出問題——作出假設(shè)——制定計(jì)劃——實(shí)施計(jì)劃——得出結(jié)論——表達(dá)和交流
正如人教版《生物學(xué)》七年級(jí)上冊(cè)第二章中的這個(gè)探究課題——非生物因素對(duì)某種動(dòng)物的影響：
課本以光對(duì)于鼠婦分布的影響作為提出的問題；
根據(jù)已有的一些信息作出合乎邏輯的假設(shè)——鼠婦適于生活在陰暗的環(huán)境中，光會(huì)影響鼠婦的分布；
為驗(yàn)證提出的假設(shè)，制定嚴(yán)謹(jǐn)、有效的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。盡量考慮各種可能遇到的麻煩和操作細(xì)節(jié)，避免實(shí)際執(zhí)行過程中出現(xiàn)問題；多次記錄、重復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算平均值，減少偶然因素帶來(lái)的誤差；
執(zhí)行實(shí)驗(yàn)計(jì)劃；
利用數(shù)據(jù)處理方式（如不同的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等），對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論；
以匯報(bào)、寫成文章/論文等形式對(duì)整個(gè)研究進(jìn)行表達(dá)和交流。
這個(gè)研究可能看起來(lái)稍顯簡(jiǎn)單，但和那些發(fā)表在頂級(jí)期刊的論文骨子里是一樣的，有著相同的方法論，只不過是在不同的生物學(xué)尺度研究問題。
關(guān)于生物學(xué)尺度，在高中生物（人教版）必修一：分子與細(xì)胞中也有提到：
原子<小分子<生物大分子<細(xì)胞<組織<器官<系統(tǒng)<個(gè)體<種群和群落<生態(tài)系統(tǒng)<生物圈
注：原子、小分子和生物大分子在原教材中未出現(xiàn)。
上文中提到的“光對(duì)鼠婦分布的影響”是在個(gè)體和種群的尺度上進(jìn)行生命科學(xué)研究，隨著物理、化學(xué)等其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，更大或更小尺度的研究得以開展。
例如用更小的尺度對(duì)這個(gè)課題進(jìn)行研究：
在器官和組織的尺度上，鼠婦的什么器官負(fù)責(zé)接受、處理光信號(hào)等；
在細(xì)胞和大分子的尺度上，在鼠婦的那些細(xì)胞中的什么分子會(huì)因?yàn)楣庑盘?hào)的輸入，作出構(gòu)象等的改變，從而影響一些信號(hào)通路的調(diào)節(jié)或某些蛋白表達(dá)水平的變化等其他生物學(xué)功能的進(jìn)行等；
在原子和小分子的尺度上，在行使感應(yīng)光信號(hào)的關(guān)鍵蛋白中，那些氨基酸殘基或某些金屬離子是該蛋白的活性位點(diǎn)所必須的等等；
例如用更大的尺度對(duì)這個(gè)課題進(jìn)行研究：
在群落和生態(tài)系統(tǒng)的尺度上，因?yàn)楦鞣N各樣的地理/生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的不同時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度的光照，會(huì)對(duì)鼠婦的生態(tài)位有什么影響等等。
因此，生命科學(xué)的研究殊途同歸，只不過是以不同的尺度和方式來(lái)探究生命的奧秘。
例如最近炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的#小學(xué)生研究結(jié)直腸癌獲全國(guó)獎(jiǎng)項(xiàng)#，也同樣可以用類似的方法論來(lái)解構(gòu)。
提出問題——C10orf67在結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展中有什么樣的功能，其背后的機(jī)制是什么樣的？
作出假設(shè)——因?yàn)楦咴溉閯?dòng)物（包括人類）的集體對(duì)高原適應(yīng)的主要表現(xiàn)之一就是低氧適應(yīng)，而低氧在人類疾病包括實(shí)體瘤中也常發(fā)生。根據(jù)高原適應(yīng)和腫瘤細(xì)胞適應(yīng)的相似性，高原哺乳動(dòng)物低氧適應(yīng)受選擇的關(guān)鍵突變基因C10orf67可能會(huì)成為腫瘤細(xì)胞治療的標(biāo)志物和藥物靶點(diǎn)。
制定計(jì)劃——檢測(cè)C10orf67在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)水平；構(gòu)建C10orf67低表達(dá)的細(xì)胞系和缺陷型小鼠，并檢查細(xì)胞生長(zhǎng)狀況的生長(zhǎng)周期因此受到的影響；探究該基因表達(dá)水平之于癌癥細(xì)胞對(duì)化療藥物敏感性的影響等。
實(shí)施計(jì)劃
得出結(jié)論——C10orf67在結(jié)直腸癌中高表達(dá)，敲低其表達(dá)可以顯著抑制細(xì)胞的增殖，將細(xì)胞阻滯在G2/M期。進(jìn)一步的研究表明該基因可以調(diào)節(jié)結(jié)直腸癌細(xì)胞對(duì)化療藥物的敏感性。
表達(dá)和交流——該項(xiàng)目參加全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽。
根據(jù)來(lái)自全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽官網(wǎng)的信息來(lái)看，這位同學(xué)不僅完成了給出的部分截圖中所示的Western Blot、qPCR、Knockdown、細(xì)胞生長(zhǎng)曲線等實(shí)驗(yàn)，還構(gòu)建了基因缺陷小鼠、分析臨床樣本等。
對(duì)于一個(gè)六年級(jí)的小學(xué)生而言，理解提出問題—作出假設(shè)—制定計(jì)劃—實(shí)施計(jì)劃—得出結(jié)論—表達(dá)和交流，這般生命科學(xué)研究的方法論并不意外；在其他專業(yè)人士的指導(dǎo)和監(jiān)督下完成一些實(shí)驗(yàn)也在情理之中（其實(shí)很多實(shí)驗(yàn)只需要穩(wěn)定、不出錯(cuò)的將一些東西按順序混合起來(lái)）。
但這項(xiàng)研究背后的生物學(xué)/醫(yī)學(xué)價(jià)值，對(duì)于該領(lǐng)域底層邏輯的理解和知識(shí)框架對(duì)大多數(shù)青少年來(lái)說是晦澀難懂的。
將小學(xué)生作為“工具人”完成這樣的項(xiàng)目無(wú)異于揠苗助長(zhǎng)，并不能對(duì)其自身知識(shí)體系或科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成帶來(lái)很大的價(jià)值（盡管這樣的獎(jiǎng)項(xiàng)對(duì)于升學(xué)等可能有很大幫助）。
甚至適得其反，會(huì)讓人容易輕視基礎(chǔ)知識(shí)的積累、對(duì)其背后生物學(xué)/醫(yī)學(xué)價(jià)值的思考以及科學(xué)研究邏輯的理解。
近期學(xué)術(shù)圈的另一個(gè)熱點(diǎn)事件則剛好說明了，對(duì)某個(gè)領(lǐng)域堅(jiān)實(shí)的知識(shí)框架和深刻的理解才能夠更好地產(chǎn)出有價(jià)值、有意義的研究。
專訪付向東：神經(jīng)元再生療法誕生始末 - 知識(shí)分子的文章 - 知乎?https://zhuanlan.zhihu.com/p/159260867
來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的付向東教授團(tuán)隊(duì)花費(fèi)9年多的時(shí)間，在星形角質(zhì)細(xì)胞中敲低RNA結(jié)合蛋白PTB，將其轉(zhuǎn)化成為功能性神經(jīng)元細(xì)胞，進(jìn)而有望為帕金森病等神經(jīng)退行性疾病提供有前景的治療方案。
