胡立德：“只要足够酷，总会有用的”
摘要: 许多在雨天挨蚊子叮的人，内心大概都经历过这种咆哮。但是除了泄愤之外，它背后还有一个更加严重的问题：雨滴的速度是蚊子的十倍，质量是蚊子的五十倍，蚊子穿梭在雨滴中简直就是行人过高速路，为什么它不去死呢？
| 蚊子为什么不会被雨砸死？ 许多在雨天挨蚊子叮的人，内心大概都经历过这种咆哮。但是除了泄愤之外，它背后还有一个更加严重的问题：雨滴的速度是蚊子的十倍，质量是蚊子的五十倍，蚊子穿梭在雨滴中简直就是行人过高速路，为什么它不去死呢？ 回答这个问题的，是佐治亚理工学院生物运动实验室的副教授胡立德（David Hu）。
今年35岁的胡立德是华裔，但在美国长大，中文说得磕磕绊绊，但练习得非常努力。因为获得了2015年度的菠萝科学奖，他专程来杭州领奖并接受了专访。采访开头他还尽力在用中文回答， 但很快力不从心换回了中英混杂。即便如此，他还是特意准备了一份全中文的演讲稿，并请我们为他的发音把关——只是我们谁都没想到他最后是手握演讲稿空翻上台的！
 胡立德领奖照片，左侧颁奖人为诺奖得主乔治·斯穆特（George Smoot） 但和他的研究——比如，蚊子为什么不被雨砸死——比起来，这些举止上的“不正经”简直算不得什么。
事实证明，它们根本不躲（或者是试图躲但总是失败）。蚊子经常会被雨滴砸中，但是它们在绝大多数情况下竟然都毫发无损。这又是怎么做到的？ 胡立德的研究组发现，蚊子在被雨滴砸中时会做一套高难动作缓和冲击力。如果砸中的是翅膀，蚊子就会向那一侧倾斜50度，让水滴顺翅膀滑走。而如果正中身体，蚊子则不会“抵抗”，而是迅速随着水滴一起下落——但这并不是“随波逐流”，由于蚊子体表有大量的疏水细毛，它并不会和水滴融为一体，而是在下落过程中也能自由调整姿态，很快就能和雨滴侧向分离，恢复正常飞行。根据计算，假如落在地面的蚊子被雨滴砸中，力道相当于蚊子自身体重的10000倍，足以致命；但空中被砸到的蚊子，力道就只有体重的50-300倍，很容易恢复过来。
像这样的研究，在胡立德的实验室可谓司空见惯，但却绝不是信手拈来。胡立德在麻省理工学院获得了数学博士学位，他的研究既有突破天际的脑洞，又有严密的动物实验和数学模型来支撑。当然，和各种动物打交道的背后也少不了千奇百怪的困难和障碍——比如，挨蚊子叮。 “我们实验室从来没出过任何事故，被蚊子叮除外” 那么这个实验是怎么做的呢？蚊子实验，最困难的地方是开头。要让蚊子被雨滴砸中，想来当然是趁下雨的时候到室外去了，但是要正好捕捉到蚊子被雨砸中的那一瞬间，概率基本上是零。倒是我们这些生物学家整天在外面一边挨蚊子叮，一边还挨雨淋，所以我们至少是证明了蚊子的确不怕下雨……我们选择的办法是去疾控中心，找他们专门负责养蚊子的人。要养蚊子你得喂它们血，那里面成千上万的蚊子，都要喝人血，还得是新鲜的。 人血是最省事儿的。再说，那是他的工作。所以他得每天伸手进去，让箱子里的蚊子喝上那么一口——当然是喝一小口。我们就带了一批蚊子回实验室。接下来我们就听到了很多牢骚，因为这些蚊子不停地逃跑。我们实验室是整座楼里，事实上是全系里唯一研究活动物的，所以跑了动物他们都知道是我们这里的……平常也有动物逃跑，但蚊子或者蛇跑掉的时候是最糟的。至少我们的实验室的成员挨叮最多，所以别人也不好说什么。 为了研究蛇的爬行方式，我们需要比较不同类型的蛇，有些蛇有毒，有些毒蛇没有解药。这些蛇在动物园有养，每当他们拿蛇出笼子的时候总有两个人，一个人负责拿，另一个人负责看，因为如果第一个人被咬了，总得有人去关门……没有解药，所以他们得保证有人关门，让蛇不逃出来。 果壳网科学人：……这是怎么通过伦理委员会的审查的啊。 胡立德：伦理委员会倒是没有提出过意见。我们有规程的，我们知道蛇毒很严重，所以我们非常小心。他们是允许我们冒风险的，不冒这个险要怎么研究动物呢！做这个项目的学生也愿意冒险，但他的妻子就非常生气。她会跑过来说，“你为啥一定要研究蛇呢！为啥不能就，比方说，给狗狗拍照片之类的呢！” 所幸，我们也的确很谨慎，我们实验室从来没出过任何事故，被蚊子叮除外。 果壳网科学人：那么，说回蚊子…… 胡立德：蚊子实验里，我们的任务是模拟雨滴。地面附近，每秒钟雨滴会下落5-10米，非常快。要实现这个速度，我们必须把人造雨滴从很高的屋顶上滴下来。但是要这么做的话，就非常难瞄准，一丁点的偏差就砸不到蚊子了。我想要拍到非常好的照片，因为这是我的研究方法，我喜欢展示照片。你看到了这些蚊子照片吗？这是我教的生物课上的一个学生拍的。
他本来是拍学校年鉴照片的，从来没拍过科学摄影。他想去医学院，但被拒绝了很多次。不过后来他在我们实验室拍的照片上了《纽约时报》、《国家地理》这样的杂志，再后来他就顺利地上了医学院。 果壳网科学人：看起来用到了很高级的设备。 胡立德：这整个设备差不多都是他造的。箱子高3米多，顶上有一个专门的滴水器。你有没有见过广告里经常出现的一滴水落到水面激起水花的场景？用的就是这样的特殊滴水器，计算机控制，可以随意调节水滴大小、频率和速度。水滴从箱子顶部落下来，穿过下面的激光束，激光就会启动相机，拍照。我们当然希望那里正好有个蚊子路过，但这种事情没法控制。所幸蚊子嘛，都是很蠢的，只会在箱子里飞呀飞，飞来飞去总会有只蚊子正好在里面被打中的。 以前从来没有人见过蚊子被水滴打中，要没有这全套装置，根本不可能实现。我和他说，我们要想上杂志封面，就必须有一张蚊子正好被水滴命中的照片。他说，“不可能的，我怎么可能做得到？”我说，你以前拍蛇、老鼠、蚂蚁，不都拍到了嘛，这次只是快了一点儿，小了一点儿而已。你能做到的，只需要花上些时间。 最后的照片花了他一个月——用一个星期造好这个容器，又等了几个星期才抓住合适的时机。但最终的照片非常好。人们喜欢流体力学，人们也喜欢动物，人们还喜欢全新的东西——三条都占了。 果壳网科学人：但我觉得人们不喜欢蚊子呀。 胡立德：当然不喜欢了，但他们喜欢看到蚊子被砸扁嘛。 “别人会说我想的话题太多，但反正现在我有终身教职了，管他呢！” 果壳网科学人：蚊子和蛇似乎没有什么共同点呀。你的兴趣为什么这么广泛呢？ 胡立德：我的博士读的是应用数学，目的主要是用数学做其他领域的研究；但我对生物一直都很有兴趣，因此我就把我的工具应用在不同的领域。每个博士生我给他们不同的题目，我希望相互之间不重叠。 科学界里，人们一般不会这样做，大部分人是一直在做一个实验、一个东西。但是研究动物，需要为每一种动物发展出新工具。毕竟我们的这个领域就叫比较生物力学，所谓比较，研究方法就是你要选取不同的动物嘛。所有动物全都来自同一共同祖先，比较它们之间的改变，这就是有意义的。 这很有挑战性，但这也让事情保持新鲜。对我也更好玩。每五年我就可以切换一个新领域，用五年来解决问题然后再换到下一个新领域。一开始的时候，大概别人会说我考虑的话题太多了，但反正现在我有终身教职了，所以，管他呢！ 果壳网科学人：你现在正在做什么有趣的东西吗？ 胡立德：青蛙的舌头要怎么才能这么快地运动又能黏住苍蝇呢？当青蛙黏住一只苍蝇把它拽回来的时候，几乎就在一瞬间，加速度超过了50倍地球重力，这对舌头的要求非常高。我们测试了它的舌头组织，发现它比我们所知的任何身体组织都柔软，比脑组织和乳腺组织都更柔软。我们所知的最柔软的生物组织在青蛙舌头里，而这对它的受力至关重要。你知道，当车祸的时候，汽车的安全气囊会在百分之一秒的时间里弹出来。汽车的冲击力非常大，但气囊的灵活性能够缓和冲击力。青蛙的舌头正是承担了这样的角色，不过这篇论文大概明年才会出来吧。 果壳网科学人：这些话题都是怎么想到的呢？ 胡立德：日常生活给了我很多灵感。举个例子吧。我们曾经在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表过一篇讲膀胱的论文，讨论的是不同体型的动物排空膀胱需要多少时间——结果发现，狗和大象所需的时间是几乎相同的。一个只有杯子大，另一个快赶上垃圾桶的容量，但几乎会同时排空。
之所以想到做这个研究，是因为那时我的女儿出生不久，我换了很多尿布，因此我想教她怎么上厕所，却发现她尿尿的时间跟我差不多一样——我明明比她大十倍呀！所以我开始想，这背后可能有一个比较深的原理。你知道，生物学和医学的课程里并没有对于膀胱机制的理解。虽然我们知道膀胱受到重力等等因素的影响，但我们其实并没有真正了解其中的流体力学，而这篇论文就做到了这一点。 果壳网科学人：这样好玩的东西，发表的时候会有困难吗？ 胡立德：你知道，大部分期刊编辑其实都很无聊的，他们也想看到有趣的、不同寻常的东西。我们实验室到现在发了30篇论文，这只算是平常数量，但有7篇上了《自然》（Nature）、《科学》（Science）、PNAS这三个顶级期刊，基本上我的每个研究生都发过这些期刊。 的确，我刚开始做助理教授的时候，我想跟着经费走而不是跟着好的点子走，但结果并不是很好。我觉得这样就变成和其他所有人一样了，心不在研究上了。 顶尖的期刊总会在寻找不同的东西，总会在寻找新的领域。期刊自己也是在类似的东西一遍又一遍地过，每次只有微小的差异，他们也想要不同呀。其他的研究者也是一样，科学家也是人，也愿意看到好玩的东西。所以我得到的评论意见一直都很好。 不过，最关键的是，我们确实做出了真真切切的新发现。一个领域再怎么好玩，如果你做不出新发现，你就没法发表。你总得找到点儿什么。而这就是应用数学一显身手的地方了：良好设计的实验加上计算。在我全部的论文里，都会有数学。没有这些是没法发表的。 “我做的是应用数学工具……但首先，你得有个大冰箱来装这些便便” 果壳网科学人：因此你接受的是数学家的训练…… 胡立德：我爸妈都是科学家，高中的时候我爸爸在海军研究所的实验室，暑假的时候他天天带我去做材料研究。其实我从来没有上过生物学的课啦。虽说我是生物系教授，教生物课……但我自己却没有正经学过生物。但是我在和别的数学家和物理学家合作的时候，他们总当我是学生物的。 果壳网科学人：那么你的生物学知识是哪里来的呢？ 胡立德：你总是能在开会的时候学到东西的。但其实，我真正所做的是应用数学工具，特别是流体力学的工具。不管什么动物，是游泳还是在飞还是在奔跑，这些全都是在水或者空气中进行的；生物体内的血液和其他体液也都是液体的形态，这都是流体。有合适的工具，就能应用到任何领域之中，生物学就是一个可以应用工具的地方——这里面有太多的问题我们不理解。 有许多人喜欢生物胜过数学。你看电视上到处都是自然纪录片，有多少数学片子？几乎是零。但是不要低估了数学的力量！ 果壳网科学人：除了……毒蛇这样的动物之外，其他的动物是不是研究起来也很麻烦？ 胡立德：我自己一般都是研究小一些的动物，不然实验室装不下嘛。但是我有个学生，Patricia Yan，她是从台湾来的，她就是研究动物尿尿的，这就涉及到很大的动物了。接下来她要研究排便。 我们打算研究的是食物流体如何在动物肠子里面运动。吃东西的时候，你都得把食物翻来搅去才能消化对吧？无论是肠道细胞还是细菌，自己都动不到哪里去。所以她计划做X射线视频，来看食物是如何在肠道里发生细微的流动。 目前我们会从食草动物先做起。但这当然也需要比较大小不同的动物有何差异。我们实验室准备了一个大冰箱，用来装各种各样不同动物的便便。等到文章出来的时候，我们打算做一个“便便周期表”——因为所有的便便都是不一样的。 果壳网科学人：所以你们大概和动物园有很好的合作吧？ 胡立德：是的，很多数据都是来自动物园的。你知道吗？很多人搞生物力学，但他们从来不碰生物。生物力学的论文非常多，但大部分论文都是这么写的：“假定这是一个圆盘，能够上下移动”，然后写上10页的数学。全都是数学模型。 但我们采取的是不同的视角，我们从动物出发，永远都是从动物出发。我的任何实验里都会有动物。在我看来，这才是真正的科学，但这也让事情变困难了——首先，你得有个大冰箱来装所有这些便便。 “一个东西只要足够酷，总是会有什么应用的吧” 果壳网科学人：一般人印象中，科学都是很严肃的。你的这些研究为什么这么好玩呢？它们都有怎样的实际意义呢？ 胡立德：很多人都说，“哎呀你们的研究简直好玩过头了”。但其实，生物力学这个领域还是很有实际意义的。 我的许多研究是美国军方资助的，比如他们就资助了我关于蚂蚁的研究。他们想建造一套装甲，让子弹穿过去之后立刻修复伤口，这叫自愈合材料。这个领域上军方已经投资了数百万美元。 其中最有前途的思路之一就是能在固体和液体之间切换的材料——人类的血管就是这样。有这么一种系统，就像是管道里面装满了胶水，子弹穿过去之后胶水会渗出来，然后固化。但这些东西的物理性质不好判断。自然环境下怎样的东西能在固体和液体之间切换呢？蚂蚁。单只的蚂蚁当然是固体，但一群蚂蚁聚集在一起却会表现出流体的性质，可以从茶壶里像倒水一样倒出来。可以说这是一种全新的材料，军方对此非常重视，所以过去几年里都是军方出钱资助我研究蚂蚁筏。
类似的，还有许多经费来自所谓"生命系统的物理"，这是个相对较新的项目，美国国家科学基金会给钱，他们想要对生命现象有一个更加数学和物理的视角。 不过，我刚开始做蚂蚁筏这样的研究时，并没有想到这些，没有想过它会有什么特别的应用领域。我只是觉得，一个东西只要足够酷，总是会有什么应用的吧。事实也的确如此。毕竟这是纳税人的钱，这些钱不能白花；而只要我们做出了成果，不论是基础的还是应用的，那就是有价值的。 果壳网科学人：为什么以前我们很少见到这样的研究呢？ 胡立德：我想这既是和美国文化有关，也和年轻一代人的思想有关吧。 某种意义上，美国文化有“疯狂许可证”，它允许你搞一些疯狂的事情，而亚洲或者欧洲的传统文化相对就保守一些。有一次我在准备演讲稿，最后我说结尾处我要讨论尿尿，台湾的主办方就连忙阻止我：“不要在讲座里谈尿尿！”有些文化可能会觉得这样不庄重吧。就算是在美国，也有老教授不太能理解这样的。 但是新一代的科学家就不同了。也不能说是幼稚吧，虽然我们确实做了这么一篇撒尿的文章……你看这篇文章的第一张图：
右下是一头大象，你能清楚看到它皱巴巴的那话儿。十年前你不可能看到这样的图，再过十年恐怕也不会看到。但我不在乎。我想这能帮助人们学习它、记住它。这对文章有好处。 我想对于出版的东西我们也应该打破更多的规矩，就像我们的研究一样。研究动物就得打破所有这些规矩，以前没人试过用雨滴打蚊子，想都没想过。好消息是，在科学界，人们喜欢这样，特别是年轻人。我经常收到年轻人的邮件，大都是在说，“Wow! This is soooo cool!” “要短，要令人惊讶，要尽可能让多的人看到” 果壳网科学人：所以你会花时间给他们回信吗？ 胡立德：当然。这是下一代人的东西了；但我想，我们应该为所有的听众做到这些。科学有很多有趣的东西，但人们很少能看到他们能够理解的东西，配有好照片的更是少之又少。十年前我在《自然》上发第一篇论文的时候学到，为了能有传播效果，你的东西要短，要令人惊讶，要尽可能让多的人看到。这是我做传播的起点，所有人都应该试着向这个方向努力。而且这样也会让你自己觉得更好玩。现在我所有的研究生都有自己的网页，他们都会回应问题，他们也希望自己的研究能得到别人的理解。 果壳网科学人：你还以别的方式参与了科学传播吗？ 胡立德：普林斯顿出版社很快就要出版一本讲生物力学的书，其实大部分研究是我的学生们做的。我们参与很多纪录片的拍摄，探索频道每年都会来我们实验室拍上一整天，最后会在片子里露面10分钟，过去十年几乎始终如此。我们还拍过imax3D电影，有一部叫《火蚁：无敌军队》的片子就是在我们实验室拍的。我们总是会为科学传播相关的事情留够时间的。我还开设一个工作坊，教我的同行们应该如何与记者沟通——因为你们知道，科学家和记者的关系并不是那么好。 果壳网科学人：一般的科学家都会怪记者，但你是在给科学家开课。 胡立德：大部分科学家其实还是那样子，他们不懂！他们不知道你不可能在故事里把所有东西都讲出来。“但你没有提我的第三合作者！” 、“你没有讲我的实验方法的细节！” 论沟通，他们基本上都是要挂科的。他们需要明白，你的故事核心只需要一件事就够了。但是挑选这一件事很难。你不能把所有细节都塞进去，没人会看的，连科学家都不会看。因此我会开这个工作坊。也许我应该再开一个专栏。假如果壳网让我写专栏的话我很可能会写的。（快点来开！） 说起来，我和很多科学记者聊过，但你是第二个中国的记者。第一个人现在住在伦敦，他叫埃德·杨（Ed Yong）。其实我很想接触一下中国的学生群体。中国有很多学生在科学领域非常有天赋，但是他们有一个问题。很多人来美国读研究生，可是最后成为教授的非常少。我不知道是什么原因，但我的怀疑是，他们没有爱上科学。 我想我需要提醒他们，科学并不是只有竭尽全力做得比别人更好，与此同时你还要能放声大笑，能喜欢上你所做的东西。最终你成了教授，这应该是很好玩的，我就玩得很开心。毕竟，我们这些科学家生活在不同的群体里，圈子之间并没有竞争，除了我们再没有人会去拍狗便便或者大象尿尿。 果壳网科学人：你觉得自己能得到搞笑诺贝尔奖吗？ 胡立德：我想菠萝科学奖是一个好的起点吧！拿搞笑诺奖相当困难，每年许多人竞选，每年都有不同的成果。但毕竟我才35岁嘛，也许能在退休前拿到奖呢。 |
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