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许进:在数学与控制科学的交响曲中指挥DNA放声歌唱

2014-06-03

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从陕西农民到北大教授,许进走进过6个大学的校园,涉足数学、管理工程、电路与信号处理等领域的学习和研究。从看不懂生物学文章到给本科生开生物课,许进通过自学逐渐精通生物学的理论和知识,最终成为一名复合型人才。从追随大家的脚步到不断创新,近20年来,许进和他的研究团队脚踏实地,从事生物计算数据编码与模型构建的理论和方法研究,取得了世界领先的成果,先后5次任国际生物计算机大会主席,为生物计算机的发展作出了突出贡献。在2013年,许进荣获年度国家自然科学奖二等奖。

文理一身 学以致用

六成生物学的书籍,两成数学的书籍,历史、法律、经济等书籍占了剩下的两成,这些书摆满了许进的书架。学数学出身的许进从硕士研究生起,一直在探寻实际应用的方向,从运筹学、管理工程、信号处理,再到生物医学,他不断充实自己的知识背景,拓展自己的科研视野,最终,选择了生物计算机作为全身心投入的重点突破领域。

说来也有些偶然,最初接触生物计算源自于与学生的交流。一天,他的博士生向他说起《科学》杂志上的一篇用DNA分子做工具求解汉密尔顿路径问题的文章。当时是1996年,信息传递并不方便,只能到图书馆复印杂志。可阅读的时候,许进却发现读不懂,因为有很多遗传学、分子生物学的名词;后来,经过请教和学习,终于读懂了文章。自此,他找到了感兴趣的研究方向,并一步一个脚印地攻克难关。首先是学习生物学知识,37岁的许进从零开始自学生物,在出差的路上捧着高中生物课本看;平时遇到问题,打电话向熟悉的生物学老师求教。没有多久,许进便自学成才,不但自己掌握了生物学的基础知识,还给本科生开生物课程,传授知识。生命科学对于许进来说就像一个梦想的家园,可以感触到特别的归属感,正如许进所说:“进入生命科学领域,我才领悟到科学的真谛,数学仅仅是一个工具。”

做科学研究,要有坚实的基础与宽广的思路。许进师从汪应洛院士学习管理工程,在这期间,他阅读了大量的经济学、管理学、法学的文献,培养了经济学的思维方式。许进酷爱历史,闲暇时便阅读历史书籍,他用中国历史人物的故事类比了“计算机之父”冯诺依曼的工作。他说:“汉刘邦有萧何做管家、张良当参谋、韩信掌军事,最终成就霸业;而冯诺依曼把图灵模型、布尔代数和电子技术有机结合到一起,开创了现代计算机的时代。”

勇于求索 挑战极限

“探针机”模型、精准PCR仪(放大扩增特定DNA片段的仪器)和DNA分子之间的碰撞,将开启生物计算机的时代。其实,人类的信息处理能力非常有限。“从人类早期的结绳记事,到算筹、珠算、计算尺,到近代的机械计算机,再到当代的电子计算机,所有计算工具在原理上大体一致,都是中国‘珠算模型’。”许进说,“这种模型虽然实现了自动化,但其数据一个挨着一个,完全束缚了数据的手脚,效率很低;随着问题数据规模的增大,所需要的搜索量呈指数增长。”

生物计算技术跳脱了电子计算技术的陷阱。许进和他的团队在2005年至2007年间逐年在生物计算领域取得重大研究进展:从5个顶点3着色到12个顶点3着色,再到61个顶点3着色,经历了枚举型、非枚举型、并行型计算机模型等方法上的创新演进,算法复杂度也逐渐增大,分别是35、312、359。尤其是61个顶点3着色实验,当许进在国际生物计算机会议上提出这个构想的时候,还遭到了国际同行的质疑,他们纷纷傲慢地断言:“这绝无可能!”可实验成果一经发表,国外同行也放下了架子,对许进赞誉有加,美国加州理工大学温弗里教授高度评价许进的研究:“这是一个非常振奋人心的突破性工作!”《美国计算机学会学报》杂志的审稿人评价道:“继埃德曼之后,你是生物计算领域新的领军人物。”生物计算相比电子计算最大的优势在于速度极快,例如,算法复杂度为359的61个顶点3着色实验,即使是当今最快的超级电子计算机,也需要13217年方能完成,而生物计算机仅用了不到2个月的时间。速度的优势使得生物计算机能够在理论科学研究领域、非线性科学研究领域、国防领域大显身手。生物计算已经成为新的科学前沿热点,正在极大地吸引着不同学科、不同领域的众多科学家,特别是生物工程、计算机科学、数学、物理、化学、激光技术以及信息等领域的科学家参与其中。

其实,在生物计算的研究进程中,许进和他的团队翻越了一座又一座高山险关,才有了今天的成果。2009年的时候,一个难题摆在了许进的面前。许进回忆说:“我当时出了一身冷汗。在做并行型实验的时候,使用的试管量比较大,如果试管规模太大的话,难以解决实际问题。”只有克服这个问题,才能应用于实际,特别是应用于密码分析与破译等领域。经过不懈努力,最终许进尝试提出了大规模DNA计算机模型解决这一难题,为此许进团队将要应用这一理论模型进行125个顶点5着色,复杂度5120以上的实验。

师从大家 潜心科研

“慈祥的父亲”和“爱国的赤子”,是许进对他在博士和博士后阶段的两位导师汪应洛院士和保铮院士的描述。许进说:“汪院士知识渊博,做人大气磅礴、胸怀宽广,像个慈祥的父亲,把学生当作自己的孩子一般看待。”许进从他那里学到了带学生的方法。许进为人真诚,视学生如同自己的孩子,在他的团队中,成员之间关系非常融洽,在科研领域上下一心,相互学习,共同进步。保铮院士被誉为“雷达之父”,许进介绍说:“我过一段时间就会专门看一下他,87岁高龄的他尽管很多时间只能躺在床上,但是还在孜孜不倦地学习。我和他讲探针机,他让我准备一份中文稿给他。保院士的拳拳爱国心和永不褪色的科研精神一直都是我学习的榜样。”

许进能够在生物计算领域取得丰硕的成果,离不开导师们的培养,更离不开他良好的心态与对科研的着迷。从昔时的陕西农民到如今的北大教授,许进传承了劳动人民务实、谦虚、踏实的优良作风,这让他真正的静下心来,全身心投入到科学研究中;以“玩”的心态,在科学的海洋中遨游。许进说:“对于我来说从来没有节假日,我一般都会在办公室工作。”

“每个人成功与否和你的兴趣,主动还是被动息息相关。”许进说,“我当年上大三的时候,系领导让我给新生介绍学习经验,我给他们讲了‘内动力’———要积极主动去学习,避免被动的学习。”的确,兴趣对于科研至关重要,但也不能忽略“做科研为了什么”这个接近哲学的命题。许进说:“年轻人应该放开眼界,敢于挑战极限,选择国际上实用的大事去研究,为人类的进步而奋斗。”