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我们怀着崇敬和激动的心情,祝贺贝老期颐华诞,祝贺生物物理所建立45周年。
从1958年建所至今将近半个世纪的年代里,生物物理所全体仪器技术研究人员不断地领会着贝老的治所思想。贝老的高瞻远瞩,指引了生命科学仪器技术在生物物理所健康发展的历程。
借此机会,回顾生物物理所生命科学仪器技术发展的过程,谈谈大家的体会。
1.科学仪器技术对于推动科学发展的重要性
人类靠科学仪器去认识世界,探索自然规律。重要科学仪器的发明常会使人类对客观世界有更深入的或完全崭新的认识,使科学发展揭开新的一页,并带来生产力水平的飞跃。在人类探索生命奥秘的历史进程中,往往由于某些新仪器或新技术的出现而揭开了生物学发展史上的新篇章。从显微镜、X射线衍射,到扫描隧道显微镜、膜片钳、核磁共振成像等新技术、新仪器的出现和应用,都大大增进了人们对于物理世界和生命世界的了解,推动了生命科学和物理科学的发展。
另外,先进科学思想和学说的提出,往往需要用与已有的方法不同的,新方法新手段,才能加以直接的验证。
生命科学是一门研究生物物质及其活动规律的学科,实验手段、仪器成为影响生命科学发展的重要因素。生物仪器的发展,会有力地推动生命科学的不断进步,将推动生命科学各个分支,医疗保健、农业、环境保护等事业的前进。反过来,生命科学的需求,又促使仪器手段不断改进,甚至产生重大的革新。
2.生物仪器工程技术是生物物理学科的一个组成部分
贝先生作为创建生物物理学科的领导人,对于仪器技术方面的研究非常重视。他历来强调并反复指出,开展生物物理研究,特别要研究和发展仪器技术。从1958年建所时拟定生物物理研究所的主要任务,就专门指出:“我们也注意到生物物理学的发展要有相应的技术发展来配合,对于生物物理仪器不但要仿制、改进,还要不断有新的创造。” 
              1983年他在中国生物物理学会第四届全国学术会议上的报告中指出:“我想着重的提一下,为推动和促进这方面工作更迅速的发展,大力开展新技术的研究是很好的。大家知道,如果缺乏现代的实验手段和实验装备,即使有好的想法,工作质量和研究速度都会受到很大的影响。”①
贝先生经常阐述定量测量及其手段对于发展生物物理学的重要性。“现阶段我们开展生物物理的研究,特别是在基础理论方面应该着重下列两点。一方面,... 
              。而另一方面要有更大的比重, 利用现代仪器技术广泛地开展生物物理的实验研究,从而重复取得正确的数据,为创造理论和丰富实践做出贡献。这样就有可能使生物物理学逐步地成为定量科学。”②生物物理学作为近代生物学发展的重要分支,尤其要借助物理学的概念和方法来阐明生命现象的一些基本问题, 
              揭示生命活动的基本规律。“物理学方法被称为测量科学,生物物理学也必须以测量理论和实践为基础。”③因此, 各种新的物理仪器和物理方法的引入及应用,是生物物理学发展的推动力。
3.高瞻远瞩的布局
贝先生以敏锐的科学洞察力,经常注意引入科学和技术中的最新成就和观
念。作为一位开创新学科的大师,在部署整个学科的配置时, 特别关注并一贯强调仪器技术与方法学在发展生物物理学中的重要地位,这是值得深思的。没有高瞻远瞩,是不容易体会到其深远意义的,或者是要等到经受了历史的教训以后,才能够返回头来有所认识。
1958年中国科学院建立生物物理研究所,作为在我国开创生物物理学的第一步。生物物理所建所初期共有四个研究室和一个研究组。其中有放射生物学研究室、宇宙生物学研究室和生物物理化学研究室,第四研究室就是生物工程技术研究室,以仪器技术研究为主要方向。其前身是电子仪器实验室。在研究所的学科设置上,充分体现出贝先生认为发展生物物理学“没有物理手段不成”的远见,充分反映出贝先生把生命科学仪器技术看作是会影响生物物理学,或影响生命科学发展的重要组成部分的指导思想。
贝先生一贯热心地鼓励和支持发展仪器技术工作。他亲自查阅文献,了解国际动态,经常听取汇报,指出方向,做出具体的指导。他还亲自参加各种有关仪器技术研究方面的课题论证会和鉴定会。
进入80年代,贝先生很关心计算机图像技术在生物物理学中的应用,鼓励大家努力发展生物结构三维重建、形态定量测量技术。他认为研究生命过程,不能总是在固定、切片或进行生化分离以后进行研究。他经常指出,要研究观察活的细胞、活的组织,要研究生物,不能只看“死”物。特别要发展研究活细胞、活组织的结构与功能关系的技术。贝先生经常向我们介绍科学发展的新动向。例如共焦扫描显微术发明于1985年,不久贝先生就向我们介绍这项新技术,让我们考虑引入生物学研究中,用于在细胞层次观察活细胞的内部结构。他不断启发我们将其它自然科学和技术科学的概念和方法渗透到生物学中,来研究生物现象,并在生物学深入研究的推动下,设法发展新的方法和技术。他经常鼓励我们结合生物学深入研究的需要,在仪器技术上要有创新。
4.生物物理所生命科学仪器技术的发展历程
贝先生在科学上是先行者,是一位科学大师。但他不是为科学而科学,他有强烈的社会责任感和爱国主义精神,特别注意将研究所的科学技术工作与国家需求相结合。在各研究所的负责人中,他突出地表现为积极承担各项国家任务。在他领导下,我所的仪器技术研究方向有几方面的特点:
面向国家建设和重大需求
上个世纪的五六十年代,为增强国防实力,打破核讹诈,中央决定突破国防尖端技术。贝先生从生命科学的角度主动地面向国家的重大科学技术问题。为配合我国发展原子能科学技术,抵御核威胁,积极承担放射生物学和放射卫生方面的任务。包括自然本底调查、辐射药物防护、以致辐射损伤的机理,以及相应的测量和仪器技术。同时把承担国家任务和学科发展结合起来。在60年代初就部署了辐射效应原初过程的研究和电子自旋共振波谱仪的研制。他后来指出:“为了更好地揭露生命的奥秘,彻底地了解生命的规律,放射生物学的发展是非常必要的。”
在辐射测量方面
在60年代,生物物理所在辐射测量和环境辐射监测技术方面做了大量工作。钟罩形计数管成为国内从事同位素示踪应用的科研和教学单位的主要供应者。低水平b放射性测量技术为放射性自然本底调查提供了更灵敏的测量方法。60年代中开始了放射性气溶胶连续监测仪的研制,及时满足了核工业基地开工的急需; 
              后来又为国防部门研制新型放射性气溶胶监测仪, 达到国际80年代先进水平,成为我国国防配套设备,直至现在。70年代研制弱放射性β污水连续监测仪,创造了国际先进水平,解决了我国核企业的污水排放监测问题,并推广到核仪表的国营大企业生产。
为配合防护药物及放射生物学研究,自行设计建造了钴-60γ源辐照室。60-70年代建源技术和钴源操纵装置推广到祖国南北的农业育种和科学研究各领域。近年在国内各地承建了几个50万居里以上的钴60源辐照中心。
建立了测定人体内放射性物质的全身计数器。用于测量接受放射性同位素诊断、治疗及受污染的大量人员。
在空间生物学方面
在六十年代贝时璋先生就指出, 我们一定要为进入空间做好科学储备并做出自己的贡献。在八十年代指出,在空间可以搜集有关生物学方面前所未有各种各样的科学资料,并对其开展系统的分析和研究。要充分利用我国航天技术发展的有利形势, 
              多多揭示在地面上发现不了的生命科学中的新问题, 积极探索在地面上不能取得的,为工业和农业生产、医疗卫生等服务的新方法和新经验。
生物物理所提出并且负责总体,于六十年代中期成功地发射和回收了五枚生物探空火箭,迈出了我国空间生命科学研究的第一步。生物遥测技术和地面模拟设备的研制,为发射生物探空火箭, 
              及以后的航天生物学研究及航天医学研究打下初步基础。所研制和建立的地面模拟试验设备和用于选拔上天动物的设备,以及上天用的设备有:电生理放大器(心电、血压、呼吸)、条件反射实验装置、加速度仪等。
由80年代后期起,生物物理研究所又重新开展了空间生物科学技术的工作,也开展了有关的仪器研究工作。其中主要是蛋白质晶体生长方面的元件及仪器,包括神舟号飞船上用的蛋白质结晶室。研制了在地面模拟微重力生物效应的系列回转器,提供各单位使用。
在仿生学应用方面
贝先生开创了生物控制论研究。60年代起为进一步结合国家建设的实际需要,突出了仿生学的方向。他亲自提出及时将仿生学研究的结果应用于国防建设。研制了武器实验用的装备、微光电视和模拟昆虫复眼的光学元件等。
面向世界科学前沿
在科学仪器方面
为了利用现代仪器技术广泛地开展生物物理学的深入研究,在无法由国外获得先进科研设备的条件下,开始自己研制了多种大型仪器。70年代研制成的404型电子自旋共振波谱仪达国际先进水平,获科学院一等奖,为我所在顺磁共振技术应用,及以后自由基生物学在国内建立基地准备了有力的条件。光散射仪、显微光度计等多种光谱仪器的研制,为光谱技术在我所的建立和应用准备了技术队伍。
70年代,为了生命科学的需要,研究液体闪烁测量技术,研制出全自动化的液体闪烁谱仪,灵敏度达国际水平。研制出高速离心机、超速离心机和荧光分光光度计,填补了我国空白,转让给多家工厂,并带动了定点离心机厂的发展。为保证仪器及使用者的安全,进行了离心机转头的强度实验。还研制出微秒级闪光光解装置、微电极推进器以及多种实验室用小型设备。
80年代,根据生物物理学研究深入发展的需要,建立了各种时间分辨和空间分辨荧光技术,研制出纳秒荧光计、流式细胞计、荧光漂白恢复装置。研制了核磁测场仪、动物行为测量仪、几种视觉研究用的图形发生器、生物膜电参数测量仪、可编程多功能信号发生器等。开展了生物发光和化学发光测量技术的研究,研制出多种微弱发光和超微弱发光测量仪。发明了自抽连续流动离心机。低本底液体闪烁谱仪创造了国际先进水平,并形成系列,不断推出新型号,有的已由国营大企业接产。九十年代为夏、商、周断代工程提供了重要数据。建立了多种电离辐射剂量测量方法和剂量仪, 
              及中子剂量测量系统。
面向社会需要
在医疗仪器方面
在改革、开放的形势下,为面向广大人民健康需要,大力开展医疗仪器的开发研究。研制出脑电检测分析仪、浅表癌症治疗仪、生化分析仪、多相心电仪、基因枪、微量台式高速冷冻离心机,以及高速自动图像分析仪等。
在研究成果的推广方面
有的被国防部门选为尖端装备。有的被国防企业选型、投产。有的产品为广大科研、医药卫生部门所采用。有的不断向境外出口。有若干种推广到工业部门投产,推动了国家仪器仪表产业的发展,有的甚至带活了企业。
推广到工业部门投产的例如:离心机,荧光分光光度计,液体闪烁谱仪,放射性污水监测仪,癌症治疗仪,酶标仪等。
研究所还自己生产或自办企业,使大量成果转化为商品,向社会推广,如科龙公司生产的多相心电仪、脑电检测分析仪和心电脑电组合仪、KS系列光热治疗仪。中生公司生产了半自动生化分析仪。实验室制造的微弱发光测量仪,已经销售至国内数十个科研、教学和医疗单位,及亚、欧、美洲6个国家和地区,目前仍在继续推广。
四十多年来,生物物理研究所根据生物学研究和国家、社会的需要,建立了多种技术,逐步研制成国内没有的多种元件和100多种大、中、小型精密仪器。绝大多数是国内空白、首创,某些是当时国际先进水平。
由于以上各个方面的突出成绩,我所仪器技术工作曾多次获得国家、中国科学院和各部门、省市的科技成果奖励。截至到90年代,获全国科学大会奖状的有5种,院重大科技成果奖的有7种,另获院重大科技成果一等奖一项、二等奖4项,院科技进步奖二等3项、三等5项,获部、省、市奖状7项。
5.造就了一支队伍
生物物理所在承接大量国家任务的同时,迅速发展,多年来吸收了大量理、工科专业的毕业生。在完成任务、推动研究的同时,也锻炼了一支多专业、多兵种、高素质的生物物理工程技术研究队伍。这支队伍分布在各个研究室中。其中较集中的第四研究室,曾经是全所人数最多的研究室,接近60人。到70年代中,由于承担几项大型仪器设备的研制,中国科学院拨给生物物理所的事业经费大幅度地增加。他们在我国与国际上隔绝的60年代和70年代建立先进的技术、仪器和设备,还在各种高、精、尖仪器的使用、维护、保养、改造和扩展功能方面,精心做了很多工作,为生物物理所及我国生命科学发展提供了技术支撑条件, 
              也为我国经济建设和国防建设做出了不小的贡献。研究所办的科龙公司的领导和骨干,中生公司仪器部的骨干,也都是出自这个队伍。
这支队伍引起了各兄弟研究所的重视和赞赏。在国内各有关学术团体中也起着积极的作用。在我国建立或领导了一些专业学术团体,如:生物物理仪器和实验技术专业委员会、液体闪烁探测技术及应用专业委员会、离心机专业委员会等。或成为各有关专业学术团体中的活跃力量,如:计量学会,分析测试学会, 
              生物医学工程学会,生物物理学会,波谱学会,辐射防护学会,核电子学与核辐射探测器学会、生物医学电子学会等。
6.历史的经验及体会
是否还需要仪器技术研究和仪器技术队伍?
回顾45年历程,本所生物仪器技术的发展取得了技术成果和人才的双丰收,对我所和国家做出了贡献。改革开放以后,大量引进了国外的先进仪器设备,推动了生物学科研工作。同时,仪器研制工作和队伍受到了很大的冲击。国外生物仪器在我国市场的占有率大大提高。
新的形势下,是否还需要有自己的仪器技术队伍?是否还需要开展仪器技术研究工作呢?回答是肯定的。
先进科学仪器是机、电、光、计算机、材料科学、物理、化学、生物学等先进技术的高度综合。需要有一定技术素养的人员才能掌握、运转、维护这些手段,甚至开发和发展新的功能。并非“化钱雇人来操作仪器”就可以了。
也不是商品仪器“买来即可”。有些科研工作可以用现成的商品仪器来完成。但只依靠国外的商品,难有世界一流的开创性的研究成果,会使生物学研究水平和进展与国际差距加大。我国的生物学家要获得有特色的、有创造性的研究成果,就要有自己的新思想、就不能只靠国外的商品仪器设备,还需要建立自己特殊的技术手段。这就更需要有一支技术队伍来很好地配合。
或曰:“学科发展没有到这一步”。但是,作为国家仅有的生物物理研究所,其战略布局,不宜只考虑眼前的研究水平,还要考虑原创性研究的需要,进行准备和部署。
仪器技术发展中的几个关系
(1) 面向国家重大需求和面向本所学科前沿
从历史上看,改革开放前侧重配合国家重大科技任务,自力更生研究仪器技术;开放以后,则侧重面向本所的学科前沿,自选课题。在不同的时期侧重会有所不同,是无可非议的。仪器技术工作队伍为适应这种转变,是需要付出努力的。
按照科学院的办院方针,生物物理所的仪器技术研究,今后还应兼顾两方面的需要,既要为本所基础研究发展新技术、研制新仪器,同时又要根据国家发展高新技术的战略部署,在能够发挥我们技术优势的条件下去积极参与,继续做出贡献。
(2) 独立技术研究与学科融合
过去,我所的技术研究和仪器研制更多的是靠组织技术队伍独立进行。仪器研制有其自身的特点和要求,技术人员不能完全分散,单兵作战。组织技术项目组或技术研究中心,有助于集中力量,发挥专业优势,完成一些大型项目。
然而为我所基础研究的创新,要发展新技术、新仪器,必须是研究人员和技术人员密切结合,相互渗透,从不同学科的角度来攻克共同的科学目标。
两种形式都是需要的,可根据不同项目、不同阶段来选择和组织。对某些技术项目,根据需要,技术人员可以参加到某些基础研究课题中,有助于了解需求、受到启发、共同研讨。到一定阶段,再考虑集中技术力量,完成研制和成果转化。
(3) 科学效益与经济效益
评价技术研究和仪器研制的成果,要考虑仪器技术的特点,要根据不同的项目,采取不同的标准。有的重在其科学或社会效益,看是否对基础研究,对国家与社会起到了关键的作用;有的兼顾经济效益;有的则重在经济效益,必须创造条件实现成果转化甚至产业化。只有实事求是地对待,才能保护积极性,激发创造力。
(4) 技术研究与技术支撑
作为生物学研究单位的仪器技术队伍,还应该担负为生物学研究提供技术支撑的任务。技术支撑有实验技术的研究和改进,大型仪器的维修和功能扩展,还包含为生物学家研制一些急需而又一时买不到的小型常规设备,或解决非常规的仪器或实验设备。
技术研究与技术支撑这两个方面都很重要,且彼此相关,是相辅相成,互相促进的。从维修超速离心机发展到自己研制超速离心机,并且带起了我国的实验室离心机工业,就可以说明。维修、研制,积累了经验和知识,为掌握、运用和改进发展国外仪器奠定了很好的基础,也为创新准备了条件。而创新研究和技术集成,又可以指导更好的技术服务和支持。虽然队伍中的个人不一定会面临这两重任务,但是作为一支队伍,两方面的人员的交流和结合不仅对技术研究和技术支撑均有益,而且有利于做出高水平的成果。
不仅是从我国仪器科学技术及工业的发展来看,既使是从生物科学的发展来考虑,也必须有自己的仪器研究工作和仪器研制队伍,作为生物学前沿研究的技术支持。创新的技术研究,需要有长期的技术研究的积累。只有从事技术研究工作的队伍,才能使先进的仪器充分发挥作用并能发展其功能。其它领域的科学家很赞赏和羡慕生物物理研究所的这一支力量。这样一支队伍建立起来是很不容易的。但很容易解散、消亡。其影响可能暂时不明显,但对学科发展的影响是会很深远的。因此,要稳住生物学基础研究队伍,也要稳住一部分生物仪器技术研究的队伍。这样才能使我国生物科学研究走在世界前列,同时也可改变生物科学仪器主要依靠进口的状况。
7.机遇和挑战
仪器是认识世界的工具,是探索自然规律、积累科学知识,指导生产的关键。仪器技术是信息的源头技术。仪器也是国家高科技发展水平的标志。许多院士联名提出“关于振兴仪器仪表工业的建议”,得到了国务院领导的重视和支持,为科学仪器的发展做出了安排。并把仪器仪表列为国家的21个工业行业之一。
中国科学院在“知识创新工程”中提出“加强创新科学仪器和重大关键设备的研制和开发”,与其他九大“领域”并列。近来还把生物物理所作为发展创新技术支撑工作的试点单位。
形势为我们创造了开展仪器技术研究的更好条件。我们要配合生命科学研究的深入发展,充分利用交叉学科的综合优势,发展有自己特色的生物物理工程技术。要面向国家战略需求,面向世界生命科学前沿,加强关键技术创新与技术集成,为生命科学的发展,为我国经济建设、国家安全和社会可持续发展,取得有重大影响的成果。
国家和科学院的重视,生命科学的发展和正确的办所方针给我们以机遇。生物物理所应该主动地迎接挑战,为技术研究和仪器研制工作开创新局面而切实行动起来,总结经验、统一认识、规划方向、调整政策、组织力量。相信通过大家的共同努力,我所仪器技术研究的发展前景将是极其令人鼓舞的。
 
①贝时璋,“在生物物理研究中要重视环境物理因素对生物的作用”,(在中国生物物理学会第四届全国学术会议上的综述报告),石家庄,1983年10月15日.
②贝时璋,“对我国生物物理学发展的几点希望”,1980年生物物理学术会议文集,中国生物物理学会编,科学出版社,1982,北京.
③贝时璋,“在生物物理研究中值得注意的几个问题”,生物物理学报,1989,5(2),213.