重复实验的重要性

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《自然》曾对1576名研究人员进行过一次在线问卷调查。结果显示，超过70%的科学家在尝试重复别人的实验时失败，一半以上甚至无法还原自己的实验。

实验重复到底有多重要？为什么实验结果会重复不了？在进行重复实验时要注意什么？中国科学院院士、分子微生物学家赵国屏在接受《中国科学报》采访时表示，越是“重大意外”发现，越需要“多层次重复”。他结合自身经验，提出许多实操建议。

《中国科学报》：在您所从事的生物学研究中，重复实验对确保结果正确性有多重要？

赵国屏：可重复的重要性是毋庸置疑的。实验科学区别于其他科学研究的核心，就是在可以控制的条件下，以可以重复的实验方法，去发现或认识物质运动的规律。这里有两个关键词，一是“条件可控”，二是“可以重复”。

我在大学学电镜的时候，老师给我们看过一张图，可能很多人都看过——《美女还是巫婆》。这张图从不同视角看结论是不一样的。因此，老师说，“看电镜照片，你想看到什么就会看到什么；没有其他相应的证据，仅凭‘看到的结果’不能说明问题。”这也是我们开展实验科学的意义所在，通过多视角、多层次的重复，验证实验所揭示“认知”的准确性、客观性。

“条件可控”是“可以重复”的前提，在生命科学研究中有多种控制条件的方法。一是隔离，就是把“体内”复杂系统中的某些问题放到细胞、亚细胞或者分子层次上，进行“体外”实验研究。二是设置对照，生命运动涉及因素繁多，且往往互相影响，可以使用“对照”的办法控制条件。但每次只比对一个条件，而且尽可能控制其他条件不变，也不容易。三是正确的检测方法，譬如，尽可能获得定量数据，注意数据检测的线性范围，注意采集序贯而非简单重复数据等。上述三个方面，都是为了在不同层次上保证实验（数据）可以被重复。

《中国科学报》：虽然重复如此重要，但是《自然》曾做过一次问卷调查，结果显示，超过70%的科学家无法重复别人的实验，一半以上无法还原自己的实验。您认为出现这两种情况的原因是什么？对于重复不了的实验，应该如何理性看待？

赵国屏：这两种情况比较常见，并不奇怪，但是原因很复杂，可能有多个不同层次的答案。

需要强调，这种讨论必须首先排除主观的“学术不端”。数据造假或者“刻意”修改数据的“实验结果”自然无法重复。造假是严重的学术不端行为，是绝对不能容忍的，一造假就断送了一生的学术生涯。所以，判定造假需要充分的证据，包括认定“造假动机”。

不可重复并不意味着一定造假了，也可能是认识不足、方法局限、操作不当等所导致的，常常表现为“不可完全重复”。在生命科学研究中，最常见的原因往往与上述三个“控制条件”不完备有关。这方面我自己就有很多经验教训。

我的一位学生曾经在体外实验中，“证实”了国外研究者提出的一个调控因子磷酸化的假说，并向期刊投稿。审稿人提出，相应的体内表型数据不充分。该学生因此开始怀疑自己以往的实验结果，在重复实验中发现过去结论是“假阳性”，换了一种方法后，结果正相反。最后，他又用了两年时间，通过结构生物学、生化分子生物学（体外）以及遗传与生理（体内）等实验，综合证明了“不能磷酸化”这个“真阴性”的结果，发表了很好的论文。

类似的例子很多。检测方法、试剂和样品的取样及存储条件等都会影响实验结果的可重复性。有些生化试剂不稳定，放置一段时间浓度会改变，如果不较准浓度，结果自然无法完全重复。

再如，实验室测酶活的方法一般都是标准化的，但研究中往往使用突变的酶，活性不是高就是低，并不“标准”。如果不针对具体情况调整检测方法，实验结果也不能重复。

当然，即便“能重复”的实验，也不见得都是正确的或者“真的”。我的实验室曾经在某“结构域假说”的指引下，认为我们所研究的酶应该是四聚体，并得到了“分子筛”实验测定的分子量证实。但十几年过去，在AlphaFold2指导下，我们预测了三维结构，认识到这个酶应该是二聚体，并被近年发展起来的更精准的测定方法所证实，推翻了自己以前的结论。现在回头看，当时只觉得结果“符合假说”就认可了，没认识到这是由于低分辨率带来的“假象”。现在我们正准备写文章，不仅纠正过去的错误，更将为这一大类酶结构功能的关系提供全新的知识模型。

不管怎么说，科学研究是可能犯错误的。我们既要努力规避错误，也要在犯错误之后认真改正，提升研究水平。把心思放到探寻科学规律的本质上，才是应有的科学态度。

《中国科学报》：您的实验室对重复实验有何要求？能否给年轻科研人提供一些经验指导？

赵国屏：我们实验室有句老话：如果你有意外的重要发现，第一件事情就是去重复。越是“重大意外”发现，越不能头脑发热。

在生命科学研究实践中，的确有一些重大突破来自于实验或观测的“意外”。但是，更多的意外是人为“错误”所致，而且很难找到原因。所以当一个研究者发现实验结果出现意外，尤其是“意外”可能孕育着重大或重要发现时，就一定要在多个层次上考查其“可重复性”。

这方面的教训是常见的。有一次，一个学生兴冲冲地告诉我，发现用大肠杆菌表达的细菌的溶血素可以诱导细胞凋亡。这可是几十年来没见过的“大发现”。我问她用的什么做对照，她回答说是生理盐水。我提醒她自己想想这样对照行不行。学生很不错，马上回去用携带载体质粒的大肠杆菌提取“纯化”蛋白做对照，结果同样引起凋亡，说明是大肠杆菌表面脂多糖引起的细胞凋亡，与溶血素无关。

因此，所谓的重复实验有两层不同含义。一种是最基本的，就是重复做同样的实验。这属于最低水平的重复，目的是纠正操作误差。但是，现在实验技术越来越先进，操作误差比较好控制，最致命的是系统误差。要避免这方面问题，最重要的是不断总结经验教训，打好基础。

我刚到美国读研时，老师给我的第一个任务是测定一个中和抗体的滴度。我测了一周，发现误差达到25%。虽然导师说可以，但我觉得不对劲，就申请了一周重复实验，不管怎么重复误差还是很大。最后一天，我真绝望了。但是，我意识到一定不是操作误差，就到图书馆去查以前的论文，终于发现自己的数据根本不在线性范围内。回到实验室，一调整实验方法，问题就解决了。第二天拿给导师看，他非常高兴。后来他跟我说，如果一开始就告诉我问题在哪里，我很快就会忘记，只有自己从失败中总结出来的经验，才一辈子都不会忘记。

我现在指导学生的时候，会单独教一些比较特殊的测定。有的学生跟我说：“赵老师你教的跟教科书不一样。”其实，教科书往往是从“传授知识”的角度阐述前人总结的规律，而后来者只有经过自己的实践，才能真正理解。

我现在70多岁了，在科学研究中，绝大部分时间依然是在“摸索”。比如我老师留下的一个重要研究课题，经过几代研究生的努力、换了多种方法，虽然有进展，但依然没有真正突破，我还在努力。

我们对客观世界的认识相对来说总有片面性、局限性，所以需要不断研究，在反复的实验及证伪过程中提炼真知。这才是对待实验的科学态度。