“业余数学家之王”这是一个你不需要懂数学,就能看懂的数学故事

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“业余数学家之王”这是一个你不需要懂数学，就能看懂的数学故事

作者：笑掉大牙啦

发表时间：18-12-0510:13

首先，不要因为这是数学有关的文章就跳过去，这是历史。一个关于数学的历史，有趣的的历史。这期文章的主人公费马，是一个17世纪的公务员，他真的是一个公务员，不是数学家。那他当时是怎么和数学产生交集的呢？

事实上费马在业余是有那么一点点喜欢数学的，简称业余爱好。可他为什么成为历史上名垂千古的呢？还是靠着他那“业余”数学。他提出了一个超级超级超级牛的定理，正是因为这个定理，让他做上了“业余数学家之王”的宝座。这个定理叫做：费马大定理！而且这个“大”，一定要大声读出来！

那这个定理是什么呢？（当整数n＞2时，关于x、y、z、的方程X+y=z没有整数解）很简单吧，一读就懂了吧。不懂也没关系，我们只需要知道它是一个定理就好了。就这样的一个定理，让后世的数学家整整解了几百年。可气的是这个定理是费马在读书时，随手写在旁边书旁边的空白处写下。而且在下面他还加了一句话大意是：关于此，我确信已经找到了一个极佳的证明，但是书的空白太窄写不下了！

就这样拉开了之后300多年人类数学史上最艰苦的探究。18世界数学家欧拉最先证明n=4的情况，而后又给出了n=3的证明。19世纪法国女数学家热尔曼，她独立证明了当n和2n+1都是素数是，费马大定理反例x、y、z至少有一个是n的整数倍。反正知道她解出来了就好了，不用懂是什么意思。1847年，当时著名的数学家拉梅和柯西都宣布自己证明了费马大定理。而后德国的一位数学家清晰的证明了这两位数学家都是错的。

1908年，一位叫沃尔夫斯凯尔的德国人，他设立了10万马克的奖金，激励那些最终证明的那个人。为什么要这么做呢？因为沃尔夫斯凯尔小时候情场不如意，想自杀结束自己的生命。然而到了自杀的最后时刻他发现了费马大定理，便开始研究起来，最终忘了自杀！费马大定理救了他一命。

时间到了1963年，离证明费马大定理，已经过去了326年。无数的数学先烈倒在了证明这条定理的路上。1986年大学教授怀尔斯，决定放弃一切，专攻费马大定理。7年过去了1993年6月23日。怀尔斯用数学公式写了慢慢几块黑板说：“我想这里应该结束了”然而数学是严谨的，在怀尔斯长达200页的手稿中，有一个小环节，无法证明的通。就在怀疑的声音越来越响时，在某一天中他灵光一闪：把两个小问题放在一起他们就自己补足了缺陷。

1997年，华尔斯领取了沃尔夫斯凯尔设立的10万马克奖。而这笔奖金还差10就领不到了。

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谁说穷孩子的人生不能辉煌？

作者：中科院物理所

发表时间：08-2913:40中国科学院物理研究所

今天故事的主角是一个科学家，他记忆力超群，却总是记不住自己邮箱的密码；他不擅长写作，但一生写出了无数文章，还成为了一个专栏作家；他1963年的时候提出了一个设想，然后经过11年的研究，于1974年发表了一篇只有他一个人署名的文章，迄今为止引用超过了12965次；他的实验室走出了5个诺贝尔奖获得者。这个人是谁？在他的一生中，他都做出了怎样的选择？

（图源：ANDREW CUTRARO/REDUX）

撰文 | 朱明（UCSD）董梦秋（北京生命科学研究所）

编辑 | 万朵

他就是Sydney Brenner，1927年出生于南非杰米斯顿（Germiston）。他去世于2019年4月5日（恰好是中国的清明节），享年92岁。

报纸桌布

Sydney Brenner的父母都是犹太裔移民，母亲来自拉脱维亚，父亲来自立陶宛，为躲避战乱而移民南非。父亲是一名鞋匠，不识字，但是语言天赋超高，会说英语，俄语，荷兰语，意第绪语和祖鲁语。

Sydney Brenner小时候经常到街角的一个邻居家玩。邻居也是穷人，拿报纸当桌布用，顺便教Sydney Brenner读桌布。父亲鞋店的一名老主顾看到4岁的Sydney Brenner能读报纸，甚是惊诧。恰巧这名老主顾是当地一家学前班的负责人，得知Sydney Brenner父亲无力支付儿子的学费，就破格免费录取了Sydney Brenner 。于是，Sydney Brenner 5岁那年顺利进入学前班学习，之后又连跳三级，用两年时间读完了小学[1]。

图1. Sydney Brenner年轻时的照片（图为《My life in science》的封面）

借书不还

虽然Sydney Brenner有超常的学习能力，但他在中学阶段并没有被视为最优秀的学生。这是因为Sydney Brenner 自有主张，他很快意识到中学化学、物理等课程所教的东西仅仅为了应付考试。他拒绝这种死记硬背的教育方式，于是开启了自学之路。

由于家庭条件有限，没有什么书可读， Sydney Brenner就经常光顾图书馆，博览群书。有两本书对幼年的Sydney Brenner影响深远。一本是“The Young Chemist”，书中介绍了做化学实验的详细步骤，Sydney Brenner照方抓药，10岁那年就在自家的车库里做起了化学实验——提取花瓣和树叶中的色素，发现加酸加碱，花容变色。

另外一本是“The Science of Life”，正是这本书将Sydney Brenner领进了生物学的世界。Sydney Brenner非常喜欢这本书，但又买不起。这个从来不缺点子的调皮小子灵机一动对图书馆谎称书丢了，还得意洋洋地给人支招，说买不起书就付罚金。（请看到此文的图书馆馆长们继续扶持少年科学家成长，不要提高罚金哈）

不务正业的医学生

由于成绩突出，Sydney Brenner得以跳过高中直接升入大学，于1942年进入约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学（University of the Witwatersrand in Johannesburg）攻读内科学士学位（这是当时唯一一个提供奖学金的专业），那年他才14岁，比他的同班同学小3-4岁。

内科系的大学课程总计6年，毕业后将成为一名注册医师。如果一切顺利，Sydney Brenner将于20岁那年毕业，而当时成为一名注册医师的最小年龄是21岁。因此，学校同意Sydney Brenner可以利用多出来的这一年去攻读一个解剖和生理学的学士学位，而后再返回内科系继续完成剩余的课程。

正是这一年的学习让Sydney Brenner意识到，他对细胞生理学更感兴趣，因此他决定再多花两年的时间继续学习细胞生理学，并最终获得一个硕士学位。这可以说是Sydney Brenner人生中第一个重要的选择，在医生和科学家之间，他毫不犹豫地选择了自己更感兴趣的科学研究。他的硕士毕业论文是研究象鼩的染色体，并于1949年发表在Nature杂志上[2]，那年他才23岁。

多年后有记者采访Sydney Brenner，问他为什么选择做科学研究？Sydney Brenner答：不为钱，不为名，为了知识。他对知识有一种贪婪的欲望，他想做一个章鱼型的科学家：触手无处不在，无所不知[3]。当他发现书本上的知识已经不足以满足他的欲望的时候，便决定要自己进行科学研究去发现新的知识。

当他返回内科系完成内科学位的时候，面临着一门毕业考试，要求考生闻一个病人呼出的气体中是否含有丙酮，从而诊断这个人是否患有糖尿病。Sydney Brenner仔细闻了那个病人呼出的气体之后，准确无误地判断出了这个病人用的是哪种牙膏！此次误诊导致他不得不延期半年毕业。

DNA大电影

1952年Sydney Brenner拿到一份奖学金并远赴英国牛津大学继续深造，师从 Cyril Norman Hinshelwood 爵士（1956年诺贝尔化学奖得主）研究细菌如何抵抗噬菌体。1953年4月，Sydney Brenner和朋友一起前往剑桥大学参观Francis Crick和Jim Watson破解的DNA双螺旋结构。当Sydney Brenner第一眼看见DNA双螺旋的模型时，他非常兴奋，并敏锐地意识到其中必定蕴含着一种遗传密码可以用来编码蛋白质，也就是后来大家熟知的密码子。

DNA双螺旋结构被破解之后不久，有人提出要把这个故事拍成电影，于是就有制片人来采访Sydney Brenner寻求建议。在了解了整个故事之后，制片人面露难色地说：这个电影就是一群人坐在一起，在纸上写写画画，这里面没有场面激烈的动作戏，观众根本不感兴趣啊。这在Sydney Brenner面前根本就不是问题，他早就构思好了一个剧本，把整个故事包装成了一个典型的美国西部片，所有科学家亲自出演[4]。剧情是这样的——

在美国西部的一个小镇上，大家都在寻找一个叫DNA的矿。Francis Crick饰演一个擅长玩扑克牌的赌博高手，在小镇上赢了很多钱。Jim Watson饰演美国东部银行家们派来寻找DNA矿的勘探员。Francis Crick教Jim Watson玩扑克游戏，两人相识，并一起绘制地图，最终依靠这张地图找到了DNA矿。消息一出，世界为之疯狂，大批的人疯抢来这个西部小镇的火车票，争着抢着来这个DNA矿淘金，电影到此结束。

这部电影最终由BBC拍摄完成，但他们并没有采用Sydney Brenner的剧本，实在可惜啊！

1954年12月， Sydney Brenner打定主意要在噬菌体中利用遗传学的手段研究基因是如何编码蛋白质的。这是Sydney Brenner人生中第二个决定性的选择，他敏锐地意识到，DNA双螺旋结构的破解打开了一片广阔的未知研究领域，于是决定投身其中（后来发展成为现在的分子遗传学）。在回南非的路上，他顺道去了一趟英国，跟Francis Crick谈得特别投机，两人共同讨论有没有可能两个不同的密码子会编码同一个氨基酸。

发现mRNA

由于Sydney Brenner的出色工作，他不断收到来自美国和英国的工作邀请。他最终决定加入英国Medical Research Council（MRC）的卡文迪许实验室，和Francis Crick一起研究基因是如何编码蛋白质的。

1956年底他再次来到英国，和1952年到牛津大学读博士不同的是，他这次带来了3个孩子，还获得了一份为期3年，年薪1千英镑的工作合同。在MRC，他跟Francis Crick共用一个办公室长达20年，两人是铁哥们，好搭档（图2）。

图2. 1986年，Sydney Brenner和Francis Crick在英国Medical Research Council（MRC）实验室（图源：simonsfoundation.org）

1960年，Sydney Brenner和Francois Jacob（发现操纵子的法国生物学家）来到了Matthew Meselson（发现 DNA半保守复制的美国生物学家，擅长同位素标记）在加州理工大学的实验室，设计了一个实验来验证他们对于mRNA的猜想，即蛋白质翻译的时候会有一种不稳定的RNA（称之为信使RNA，即Messenger RNA，简称mRNA）结合在核糖体上，指导蛋白质的合成。他们用放射性同位素15N和13C来标记细菌的核糖体，同时用32P来标记噬菌体的mRNA，然后利用噬菌体侵染细菌。如果他们的猜想是正确的，那么噬菌体的mRNA就会结合在细菌的核糖体上，通过提取细菌核糖体并检测其中的32P的含量，即可判断出该核糖体中是否含有噬菌体的mRNA。

说起来容易做起来难，这个实验进行得并不顺利，因为核糖体在实验操作过程中极易分解，造成他们的实验一次次失败。垂头丧气的几个人来到加州的海滩上休息，他们都觉得这个实验不可能在短期内完成，可能还需要好几年的时间来优化实验条件。然而Sydney Brenner突然灵光一闪，想到了问题的关键：核糖体不稳定是由于镁离子的浓度太低造成的。他们立马返回实验室提高了镁离子的浓度，重新开始新一轮的实验。由于经费有限，这次实验是他们最后的机会了。Francois Jacob太过紧张，把放射性同位素加到了水浴锅里。所幸这个小插曲没有影响实验的完成，最后的实验结果完美证实了他们的猜想，这是mRNA首次被发现[5]。

发现遗传密码

1961年是Sydney Brenner学术生涯的顶峰之一，这一年他做出了两个重量级的发现，一个是发现了mRNA，另外一个就是发现了遗传密码。当时的科学界普遍猜想密码子应该是由3个核苷酸组成，但为什么是3个，而不是1个或者2个，却一直没有实验数据来证明。

Sydney Brenner和Francis Crick就设计了一个实验，他们用化学试剂proflavine对噬菌体的基因组进行突变（添加或者删除核苷酸）。而后发现每当添加或删除3个核苷酸的时候，这个突变的基因就能够翻译出蛋白质；而如果是添加或删除1个或2个核苷酸的时候，则不能生成任何蛋白质。这个实验结果巧妙地证明了密码子是由3个核苷酸组成的[6]。

下一步就需要破解密码子，也就是要弄清楚哪三个核苷酸编码了哪个氨基酸。Sydney Brenner依然坚持用遗传学的手段来研究这个问题，但是生物化学家们却抢得了先机破解了其中大多数密码子。Sydney Brenner没有放弃，他用遗传学的手段破解了终止密码子。

在这之后Sydney Brenner意识到分子生物学中关于DNA和蛋白质的最核心的问题已经被解决了，或者是将会在不久的将来被解决掉。因此他又一次面临了方向选择，这次他果断放弃了对遗传密码的研究，转而研究基因是如何控制细胞发育的。

线虫之父

Sydney Brenner认为生物学的问题归根结底是生物进化的问题，而进化其实是从改变基因开始的，所以遗传学是研究进化问题的最合适也最理想的手段。Sydney Brenner的计划是将一种生物的神经系统中每个细胞之间的连接都清晰地绘制出来，而后在基因组上制造突变，再通过分析这些突变体神经系统中的细胞连接有什么异常，从而总结出某个基因在某个神经细胞中控制了神经系统的发育过程，终极目标是搞清楚大脑如何运转并控制行为。

为了找到这个比噬菌体更加复杂，但是同时又要足够简单，以便于研究的多细胞生物，他培养了各种稀奇古怪的物种，包括新月柄杆菌、伞藻、轮虫、粘菌等等。但是它们都不能令Sydney Brenner满意。

之后Sydney Brenner受到了猪蛔虫研究的启发，开始探索线虫。为了挑选最完美的线虫，他让所有出差的同事都在回来路上去机场旁边挖点土带回实验室，然后从中分离线虫。Sydney Brenner一共收集了60多种线虫，经过几轮严格的“体检”，最终秀丽隐杆线虫（C. elegans）脱颖而出（图3）。

图3. 成年秀丽隐杆线虫的解剖图（图源：WormAtlas）

找到了梦寐以求的生物之后，Sydney Brenner组织了一支特殊的队伍来开启线虫计划（C. elegans project）。这支队伍中，大家背景各异，并不全是生物学家。John Sulston，有机化学家，研制出一种特定的溶液将线虫长期保存在零下80度，随时可以复苏。Robert Horvitz，数学家，和John Sulston一起探明了线虫完整的细胞谱系[7]。他们俩和Sydney Brenner分享了2002年的诺贝尔生理和医学奖（图4）。这支队伍做出的多项里程碑式的研究成果，使线虫成为了为数不多的模式生物之一，Sydney Brenner也得到了一个外号“线虫之父”。

图4. Sydney Brenner，Robert Horvitz和John Sulston分享2002年的诺贝尔生理和医学奖。（图源：nobelprize.org）

1974年，Sydney Brenner发表了一篇只有他一个署名作者的文章[8]，报道了他利用线虫做的第一个遗传学筛选，这篇文章迄今为止已被引用12965次。也正是这篇文章开启了伟大的线虫时代，目前全世界有数以千计的科学家使用C. elegans作为模式生物研究各种各样的科学问题，包括寿命，免疫，发育等等。1999年线虫的全基因组测序完成，线虫大约有2万个基因，其中1/3在人类中都能找到保守的同源基因，这为以后的研究提供了极大的便利。

70 年代中期，Sydney Brenner 选择离开蓬勃发展的线虫领域，转而“去玩新的游戏（to play another game）”。纵观其科研生涯，他独爱“玩开局（play the opening game）”。

线虫之后有什么好玩呢？就是测人类基因组喽对于Sydney Brenner，只有这样的大事儿难事儿才够有趣。不过他也花了好长时间才找准目标。

退休清单

1977年Sydney Brenner做了一个他自称十分后悔的决定——担任MRC Laboratory of Molecular Biology的主任。他的首要任务就是解决科研经费的问题，而他也很快意识到这个行政工作比做科研要难多了。

1986年他辞去了这个行政职务，转回科研岗位。那时候他是人类基因组计划的一个坚定支持者，但他发现相对于线虫而言，人类的基因组太大，太复杂。当时的DNA测序都是手动完成的，一个训练有素的研究员一天最多也就只能完成几百个碱基的测序工作，可想而知以这种技术要完成对人类基因组的测序几乎是不可能的。所以他开动脑筋，找到了河豚，河豚的基因组更紧凑，更容易实现全基因组的测序。

1992年他从MRC退休。很多人都会在退休之后准备一个清单，其中列举了要去旅游的地方，要读的书，要培养的爱好等。Sydney Brenner则说：“扔掉那个清单！”因为所有的人都知道你退休了，所以会有更多的人来找你，邀请你加入某个协会，参与杂志的编辑工作，组织会议等等，以至于退休之后甚至会变得更忙[9]。

退休之后的Sydney Brenner活跃在世界各地，扶持年轻人，推动科学研究。他还在新加坡建立了一个研究中心叫Biopolis，意思是生物医学研究首府（biomedical research metropolis）。

Syd叔叔

1994年，Sydney Brenner开始给Current Biology杂志写一个名叫“Loose ends”的专栏，后来这个专栏从每期压轴的位置窜到开头，于是被Sydney Brenner 改称“False start”。专栏每个月一篇，直到2000年为止。在这个专栏里，Sydney Brenner针砭时弊，嬉笑怒骂，皆成文章。他原以为自己会因此收到很多读者的抱怨或者抗议，但出乎意料的是，大家都很喜欢看，尤其是他写给Willie的信[10]。

Willie是Sydney Brenner虚构出来的一个外甥。Sydney Brenner给他写了很多封信，提供了很多建议，伴随Willie从研究生一路成长到系主任。信的落款是“Syd叔叔”（图5），这也成了他除了“线虫之父”之外的一个新外号。

图5. Syd叔叔写给Willie外甥的信。（图片修改自Sydney Brenner 1994年为Current Biology杂志撰写的一篇专栏[10]。）

借用这个专栏，Sydney Brenner讲述了很多他的奇思妙想，这里给大家举个例子。

Sydney解梦[11]：有人问，鱼会睡觉吗？为了回答这个问题，Sydney Brenner构思了一套理论来解释“梦是什么”。他的理论是，做梦是一个“倒带”的过程。做梦的时候，眼睛是闭上的，所以外界的信息来源被切断了，这样就可以不受干扰地来“倒带”白天学到的东西，这些东西会在大脑中迅速移动，无用的东西会被删掉，有用的东西则会被保留下来。这个理论可以很好地解释为什么有些学术报告是那么令人昏昏欲睡！同时它也可以用来回答鱼是否会睡觉的问题，Sydney Brenner的答案是鱼很大可能不需要睡觉，顶多也就是小憩一下就好，因为鱼不需要去听学术报告！

同时，Syd叔叔还总结出了他独特的丛林写作法[12]。Sydney Brenner年幼的时候经常可以毫不费力地完成一篇作文。但当他开始写科研论文的时候，却发现写作对他来说变得异常困难，起初他觉得是科研论文的“八股文格式”限制了他的创造力。有一段时间，他甚至还刻意挑选了最喜欢的纸和笔，但这些都无济于事。后来他才意识到，关键问题是他的脑子里装的想法越来越多，变得像个热带雨林一样错综复杂，要找到一条清晰的路径穿过丛林变得异常困难。于是他练习先在自己的脑子里把要写的东西理清楚，找到那条穿过丛林的路径，后面的文章就如同水银泻地一般容易，几乎可以一气呵成。这大概就是唐诗中“曲径通幽处，禅房花木深”所描绘的意境吧。

年少有为不简单

揭秘基因双螺旋

开创线虫新天地

独领风骚三十年

退休之后写专栏

风趣幽默又健谈

Syd叔叔驾鹤去

独留诺奖在天边

参考资料

[1]Wolpert, L. & Brenner, S. My life in science. (2001).

[2] Brenner, S. Multipolar Meiosis in Elephantulus. Nature 164, 495–496 (1949).

[3] Brenner, S. Loose ends The seven deadly curs ’ d sins . . . Avarice. Curr. Biol. 7, 394 (1997).

[4] Brenner, S. Loose ends How the quest was won. Curr. Biol. 7, 596 (1997).

[5] Brenner, S., Jacob, F. & Meselson, M. An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. Nature 190, 576–581 (1961).

[6] Francis, C., Barnett, L., Brenner, S. & Watts-tobin, R. general nature of the genetic code for proteins. Nature 192, 1227–1232 (1961).

[7] Sulston, J. & Horvitz, R. Post-embryonic cell lineages of the nematode, Caenorhabditis elegans. Dev. Biol. 56, 110–156 (1977).

[8] Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics 77, 71–94 (1974).

[9] Brenner, S. All the world ’ s a lab ... last scene of all. Curr. Biol. 5, 1995 (1995).

[10] Brenner, S. All the world’s a lab...at first, the graduate student. Curr. Biol. 4, (1994).

[11] Brenner, S. False starts To sleep , perchance to dream. Curr. Biol. 8, 507 (1998).

[12] Brenner, S. False starts Remembrance of things past … Writing. Curr. Biol. 9, 579 (1999).

文章头图及封面图片来源：upf.edu

来源：赛先生

编辑：Shiny

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