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2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

文章标签:塞门低氧轶事奖得主趣闻   文章来源:中国传统文化   发布时间:2020-05-23 04:23:40

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

格雷格·塞门扎(Gregg L.Semenza)

本文是《2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(上)的续篇发现低氧诱导因子HIF-1

三位获2019年诺贝尔生理学或医学奖的科学家,是分别独立展开系列工作的。整个工作的源头,还要从关键的促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)说起。

人类和哺乳动物的体内需要红细胞作为氧气载体,然后输送到全身。而如果氧气缺乏或贫血,会导致来源于肾脏分泌的EPO刺激骨髓生成新的红细胞,从而提高氧气的运输能力。尽管很早就知道EPO刺激红细胞生产,但是细胞如何感应氧气从而调控EPO的表达呢?三位获奖人的工作正是回答了上述重要问题。

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

2019年诺贝尔生理学或医学奖得主:威廉·凯林、彼得·拉特克利夫和格雷格·塞门扎(从左至右)

最早进行EPO基因操纵实验的人,恰恰就是此次诺奖的得主之一塞门扎教授。

他的实验室将人的EPO基因转移到了小鼠体内,结果这种转基因小鼠就能生成更多的红细胞。这一结果说明了两件事:一是EPO能够促成红细胞的增多;二是人跟小鼠的EPO差别不太大,换着也能用(这可不是放在所有蛋白质上都能成立的事情,事实上,两者只有80%左右的一致性,不过这在生物学角度上来看已经算是相当高的近似性了)。

但是,塞门扎教授并不满足于此。一个很简单又很直接的问题就是:低氧这种环境变化,是怎样转化成EPO合成这个应答动作的呢?这里面其实包含了两个问题:第一、细胞怎么感知“低氧”这件事?第二、细胞怎么提高EPO的合成水平?

很多科学大家都会告诫年轻人:选择课题的时候,要认清你这个领域当前的发展水平,选择一个当前的发展水平能够解决的问题来研究。塞门扎教授无疑对此有着清醒的认识。他选择的就是去研究第二个问题,也就是细胞调控EPO合成水平的方式。

塞门扎和他的研究组首先找到了EPO基因上游的调控元件,并命名为低氧应答元件(hypoxia response element),因为它在低氧下就会开启EPO基因的表达。有趣的是,如果把这个元件序列移到其他与低氧无关的基因上游,这些基因也会在低氧状态下被开启。

随后,塞门扎又找到了与低氧应答元件相配合的那个调控因子蛋白,并命名为低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)。如果说低氧应答元件是与低氧应答有关的那个“开关”,那么HIF-1这个蛋白质就是操纵低氧应答开关的那只手。准确来说,是那“双”手。因为塞门扎发现,HIF-1其实是由两个蛋白质组成的,于是分别命名为HIF-1α和HIF-1β。

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

事实上,塞门扎通过系统性的研究发现,无论是HIF-1β还是HIF-1α,两者都具有多重功能,共同管控着多种基因的开启。这些基因当中除了促进红细胞合成的EPO之外,还包括促进血管生长的血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,简称VEGF)、促进细胞摄入葡萄糖的葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1,Glut1)等等。总而言之,低氧状态会通过HIF-1α和HIF-1β这双“手”,开启一系列的基因,让身体从多种角度去应对低氧带来的能量供给困难。具体情况是这样的:

1991年,塞门扎作为第一作者在《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,缩写是PNAS)发表题为《低氧诱导核因子与位于人类促红细胞生成素基因3'的增强素结合》(Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3'to the human erythropoietin gene)的论文(诺奖委员会在发布会上公告的第1篇参考文献),塞门扎等人通过脱氧核糖核酸酶I(Deoxyribonuclease I,简称DNase I)超敏感位点研究(当某基因处于活跃转录状态时,含有这个基因的区域对于脱氧核糖核酸酶DNase I的敏感性要比无转录活性区域高百倍以上)找到了4个或者多个不同的核因子,发现至少有两个是在肝脏和肾脏的贫血或缺氧条件下诱导的。这些结果对于随后找到关键的低氧诱导因子具有重要的意义,这种因子当时就被命名为低氧应答元件(hypoxia response element),随后就是如何去寻找鉴定当时所谓的低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)了。

诺奖委员会的公告中主要提了1995年的PNAS(诺奖委员会的第2篇参考文献),这篇文章主要确定了HIF-1包含两个蛋白的序列:HIF-1α和HIF-1β,分析了蛋白的结构域,并且比较果蝇中的同源蛋白Per和Sim。事实上,在1991年和1995年分别发表的PNAS文章的期间,塞门扎和华人学生Guang L.Wang(王广良)一起,还发表了大量相关的工作。包括1993年发表在《生物化学杂志》(Journal of Biological Chemistry,缩写JBC)上的文章(被引超过1000次),主要描述了HIF-1与DNA结合的活性相关研究;而1993年PNAS论文,则是证明了HIF-1在低氧诱导的情况下,识别序列在不同类型的哺乳动物细胞中具有一致性。

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HIF-1α空间结构模式图

1995年一月份发表在JBC上的论文(被引超过2100次)也非常重要。这篇文章主要分离纯化和鉴定了HIF-1,明确提出HIF-1主要以异二聚体形式存在,主要由120 kDa的HIF-1α和91-94 kDa的HIF-1β组成。塞门扎等继续对HIF-1进行研究发现,HIF-1α还能够诱导在血管生成中起重要作用的血管内皮生长因子VEGF(vascular endothelial growth factor)。这表明,HIF-1α作为氧传感的核心因子,对调控血管系统的生成也具有重要意义。相关工作,1996年发表在《分子与细胞生物学期刊》(molecular and cellular biology,MCB)上(被引3900多次)。

1998年,塞门扎等发表在《基因与发育》(genes&development)上的研究,则是通过制备HIF-1α突变的转基因小鼠,确定其体内生物学功能。研究发现,HIF-1α功能缺失的情况下,血管发育和氧依赖性基因的表达受到严重损害,而且导致胚胎致死(被引近2500次)。

在塞门扎发现基础上,另一位获奖者彼得·拉特克利夫(Peter J.Ratcliffe)对低氧诱导因子进行了更深入研究。拉特克利夫1993年的研究发现,许多细胞内低氧反应元件DNA结合活性受到氧浓度调节,说明低氧诱导因子是许多细胞感受低氧的共同分子。1994年拉特克利夫进一步研究发现,糖酵解也是细胞对低氧的一类反应,但和血管生成和红细胞生成属于长期低氧效应不同,糖酵解属于快速低氧反应。这说明低氧诱导因子不仅负责调节长期低氧反应,也是急性低氧反应的调节因子。

诺奖背后有中国学生的付出

塞门扎教授对中国很友好,他的实验室有三分之一的中国学生或研究员。2019年10月26-28日,塞门扎到访华南理工大学。在此次访问间隙,塞门扎接受了《羊城晚报》记者的采访,分享诺奖背后的故事。

塞门扎告诉《羊城晚报》记者:我的研究所里当初有4个中国研究生,其中有两位中国学生参与这项研究,起到了非常重要的作用。他们主要负责提炼DNA,以及找出DNA与基因排序之间的关联。他们也发表过很多论文,学术研究非常出色。他还说,中国学生学术功底非常扎实,而且聪明、勤奋。

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诺贝尔奖基础文章第一作者,HIF-1发现、纯化和克隆者——王广良

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

20. 在诺奖评奖委员会列出的获奖成果关键文献中,王广良是3篇论文的第一作者、1篇论文的第二作者。

实际上,这一摘得科学最高桂冠的研究工作,最初是塞门扎教授和他的中国学生王广良在20世纪90年代共同完成的。诺贝尔奖委员会列出了5篇核心论文作为评审依据,其中一篇为1995年《美国科学院院刊》发表的论文,其第一作者便是王广良(Wang,G.L.)博士。在诺贝尔奖委员会对2019年度生理或医学奖所作的科学介绍中,更是引用了3篇王广良博士作为第一作者的论文、1篇作为第二作者的论文。

王广良浙江天台人,1963年生,1983年本科毕业于杭州大学生物系,1986年毕业于中科院细胞所,1991年博士毕业于亚利桑那州立大学,1992年-1995年在约翰霍普金斯大学Gregg L.塞门扎实验室从事博士后研究。他在1995年克隆缺氧诱导因子HIF-1的工作,为2019年诺贝尔生理医学奖的获奖成果奠定了重要基础。

王广良是塞门扎的第一个博士后。最开始时,整个实验室就只有他们两个人。随后,另一位中国留学生江秉华也参与到研究工作中来。江秉华1984年毕业于华南热带农业大学,1991年去了密西西比州立大学生化与分子生物系,1994年获得博士学位,然后进了塞门扎的实验室。其现于美国大冢制药公司(Otsuka American Pharmaceutical)任职,从事新药的研发工作。

王广良回想起20多年前的科研往事,仍十分激动。当时,细胞如何应对低氧状态是一个前沿方向。科学家已经发现氧气不足时肾脏会分泌EPO来促进红细胞产量提升,但这一机制的开关在哪里?王广良正是出于对这个问题的浓厚兴趣,才投入塞门扎教授门下。王广良说,塞门扎教授有着哈佛本科、宾大博士和约翰霍普金斯博士后的强大学研背景,同时还是医生,理论与实践联系得非常紧密,特别能领风气之先,所以那时课题方向很快确定下来。

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王广良和塞门扎合影

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塞门扎在南方科技大学做学术报告的PPT上有2张照片,分别为在塞门扎实验室时期的王广良和王广良的近照。

在近两年的时间里,王广良没日没夜地在实验室工作。许多时候,他都必须在冰库里做实验,以保证细胞活性。王广良:“说冰库里是真冷,穿着厚厚的棉袄也支撑不到两个小时,不得不跑出来回回暖,然后再钻进冰库继续做。”功夫不负有心人,王广良培养了数百升人类细胞,不断分离杂质,最终取得几毫克的HIF-1。

塞门扎在南方科技大学做学术交流时,他的PPT上有张照片。照片中人物照,分别为在塞门扎实验室时期的王广良,与近期的王广良。事实上,同一时期,还有其他科研团队也在做同样的科研,他们想走捷径,避开这种大海捞针的繁复劳动。可是没想到,最后还是王广良一步一个脚印的“笨功夫”,帮助塞门扎最先达成目标。王广良和导师发现,当细胞缺氧时,HIF-1浓度会上升,进入细胞核并激活EPO基因。随后,他们又进一步明确了HIF-1的蛋白结构HIF-1主要由两种结合不同DNA位点的蛋白组成,分别为HIF-1α和HIF-1β。一旦氧气浓度下降,HIF-1α的含量开始上升,这样大量的HIF-1α就能结合到EPO基因附近来调节EPO的表达。并且,HIF-1α在正常情况下会迅速降解,以保证氧气供应不会紊乱;但在低氧状态下,HIF-1α则不会迅速降解。

三位诺奖得主对细胞感知、适应氧气变化机制的研究,在2016年已获生物医学领域重要奖项拉斯克奖。塞门扎教授获拉斯克奖后写了一篇《拉斯克故事》在《细胞》杂志上发表,讲述取得这一发现的经过。文中他充满感情地回忆王广良取得HIF蛋白后激动万分的神情,随文刊发的照片也反映了王广良做了许多工作。图19中照片为获奖项目团队成员,中间即是王广良博士。王广良在其后离开了塞门扎的实验室,转为在制药企业从事开发,但他依然奋斗在新药研发的道路上。

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塞门扎教授的实验室里,有许多中国研究者的身影。

呼吁公众关注 5 个科学事实

北京时间2019年12月10日,塞门扎参加了在瑞典斯德哥尔摩举办的诺贝尔奖颁奖典礼。瑞典国王卡尔格·古斯塔夫(Kalg Gustaf)亲自为塞门扎颁奖。高兴之余,塞门扎呼吁大家更加关注科学,并分享了他认为人人都应该知道的5个科学事实。

科学事实一:伟大的发现往往来自于年轻人

塞门扎说:“人们发现诺贝尔奖通常是颁发给老科学家,可能会因此认为,伟大的科学只由老科学家主宰。事实上,伟大的发现往往是由年轻科学家做出的。”塞门扎鼓励年轻的科研工作者说:“我们通常在职业生涯早期就做出这些发现,但是这些发现的意义,往往需要一段时间来证明。”

科学事实二:科学发现源于坚持不懈和共同协作

塞门扎说:“许多科学领域正在向前迈出小步。而跨越式发展往往是协作的结果。”塞门扎回忆说,当时,他和他的实验室发现了HIF-1基因,这种基因可以在低氧环境下调控细胞,但一开始他们就遇到了克隆该基因的DNA(科学家克隆DNA是为了深入了解基因的功能和其他特性)的问题。而对于这个问题,约翰·霍普金斯大学的另一位科学家托马斯·凯利(Thomas Kelly)在另一种解决方案上颇有专长。塞门扎正是在他的帮助下,才得以提纯HIF-1。

谈起科研路上的痛苦时刻,塞门扎回忆起读博时的一段经历。当时参与的科研项目接连两次失败,他非常沮丧,只好去求助心理医生。医生说他如果觉得自己抑郁是有道理的,感觉就没那么糟糕了。听了医生的话后,他去实验室继续奋战。第三次,项目终于成功了。塞门扎强调,“失败不是悲剧,是要克服的挑战。失败了,就从头开始!”

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科学事实三:最好的科研环境离不开良师指导+同伴支持

塞门扎说:“有些地方的人非常聪明,有些地方的人很友好,但是很少地方有又聪明、又友好的人愿意一直帮助你,”塞门扎分享说,“我们当时撰写好关于发现HIF-1的报告论文后,把稿子提交给顶级期刊。但他们认为当中没有足够的兴趣点,不能保证发表。”

但这并没有让他气馁。他得到了约翰·霍普金斯大学已故科学家维克托·库西(Victor McKusick)的帮助,最终该论文得以发表在《美国国家科学院院刊》上。现在,这篇论文已被超过6000个科学出版物引用。

塞门扎说:“作为一个科研人员,我认为我无法在其他任何地方复制我在约翰·霍普金斯大学所取得的成就。这也是为什么,我选择在这里度过我的职业生涯。我认为约翰·霍普金斯是最适合做研究的地方。因为这里有着最伟大的同事们,还有最强的合作观念。”

科学事实四:早期教育是发展科学的关键

在很多场合,塞门扎都不厌其烦的介绍自己的一段经历:“在高中时,我遇到了一位生物老师。她给我们讲一些科学家的故事,还有一些科学发现是怎么来的,这激励了我和其他同学投身科研事业。她在给我们讲一项科学发现的时候,常常这样开头,‘如果有一天,你获得了诺贝尔奖,我希望你别忘了是在这里学了以后得的奖’。”塞门扎强调说:“科学非常有趣,孩子们能越早接触科学越好。我们需要格外重视早期教育的师资投入,并大力奖励老师们的工作。正是这些老师,让很多人的一生发生了巨大的变化。”

科学事实五:基础科学与你我息息相关

塞门扎说:“是时候告诉公众基础科学是如何给每个人带来美好生活了!”自获奖以来,塞门扎就未曾停止对基础科学研究的倡导。他说:“源自基础研究的发明和发现,对经济、公共卫生领域的发展和及早治疗疾病都是十分重要的。从患者利益和社会经济的角度出发,在患病的早期治疗都比在后期治疗要好得多。我们需要更多的研究来了解如何更有效地治疗多种癌症。”

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塞门扎教授和中科大包信和校长(右一)等人合影。中间为“中国科学院爱因斯坦讲席教授”证书。

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2017年,塞门扎到访浙江大学

与中国学者的密切合作

早在2012年6月,塞门扎教授受邀访问中国科技大学,并作了题为“氧稳态的调控与人类重大疾病”的学术报告。时任生命科学学院院长田志刚教授主持了报告会,并在会后向格雷格·塞门扎教授颁发了2012年度“中国科学院爱因斯坦讲席教授”荣誉证书。

2017年9月7日,塞门扎对浙江大学基础医学院进行了访问。此次访问期间,罗建红校长对塞门扎院士表示了热烈的欢迎,随后介绍了浙江大学和医学院的一些基本情况,表示浙江大学在争创一流大学方面做了许多努力,也希望有机会能与更多的优秀名校、优秀科研力量共同发展共同进步。随后,共同探讨了在生命科学领域的研究和合作可能。

2018年4月,中国科技大学代表团赴美招聘海外高层次人才,包信和校长在约翰霍普金斯大学与格雷格·塞门扎教授会谈,听取了塞门扎教授对学校生命与医学学科的发展建议。

2018年11月2日,塞门扎教授应邀访问天津市肿瘤医院。肿瘤医院副院长徐波教授、肿瘤研究所副所长应国光教授、《Cancer Biology and Medicine》(癌症生物学与医学)杂志编辑部主任刘惠琴共同接待了来宾一行。双方就相关的临床科研状况、课题研究、期刊合作等问题进行了细致的交流座谈,希望能优势互补,逐步开展合作。

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塞门扎访问天津肿瘤医院

2018年12月2日,新汉方生命、塞门扎教授以及贵州省肿瘤医院《院士工作站》项目的三方签约仪式在汉方集团隆重举行。在签约仪式上,三方就医疗技术发展规划、人才培养和创新创造进行广泛深入交流。意向在科研和临床应用等领域展开深层次的交流与合作,实现共创共赢的全新局面。

青海大学高原医学研究中心主任格日力与和塞门扎是合作者,也是很好的朋友。在格日力的印象里,塞门扎高高的个子,一把大胡子,非常开朗,平易近人。“他来我们家做过客,像我们蒙古族人一样喝酒,吃手抓羊肉,度过了非常快乐的时光。”当然,他们交往的重点仍然是科学研究。塞门扎不仅对青藏高原藏族人群适应高原环境的机制抱有极大的热情,也对这片土地上诸如藏羚羊等野生动物很感兴趣,因为这些动物同样表现出对低氧环境的神奇适应能力。通过多年的合作,塞门扎和格日力团队取得了一系列重要的成果。2018年,格日力和塞门扎作为共同通讯作者,在《生物化学和生物物理学研究通讯》(Biochemical and Biophysical Research Communications)杂志上发表了一项研究,阐述了高原鼠兔适应寒冷缺氧环境的分子机制。他们还在青海蒙古族人“天骄一号”的全基因组序列图谱、藏族适应低氧环境的机制等领域进行了广泛合作研究,文章发表在《公共科学图书馆-遗传学》(PLoS Genetics)、《自然-遗传学》(Nature Genetics)等杂志上。塞门扎曾明确表述,未来也会继续同中方开展更多的合作。

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

2019年10月26-28日,刚刚获得2019年诺贝尔生理学或医学奖的格塞门扎到访华南理工大学,开展学术交流和访问活动。华南理工大学校长高松会见并授予他华南理工大学名誉教授称号。来访期间,塞门扎为华南理工大学全校师生作了一场题为“Hypoxia-Inducible Factors in Physiology and Medicine”(缺氧诱导因子在生理学和医学中的应用)的学术报告,分享了自己的研究心得和最新研究成果。此外,塞门扎教授还走访了医学院、生物医学科学与工程学院实验室,与师生座谈交流。此次来访,塞门扎表示,将与华南理工大学广州国际校区生物医学科学与工程学院在生物医学科学领域进一步开展合作与交流,助推学院在学术、人才培养、国际化等方面的快速提升。据悉,塞门扎已与华南理工大学签订了合作协议,今后将参与生物医学科学与工程学院肿瘤学研究所的建设,在国际化科研合作、课程和教学改革、联合指导和培养研究生、学院和学科发展规划等方面,为学校和学院提供咨询和指导,并定期访问华南理工大学。

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塞门扎在华南理工大学作报告

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华南理工大学校长高松为塞门扎教授颁发聘书。

撤稿往事被人给扒了出来

人红是非多,这事放在诺奖得主身上更不例外。日前,2019年新晋诺奖得主一桩陈年撤稿往事被人给扒了出来...2011年,塞门扎以第二作者身份与人合著的一篇发表在《生物化学学报》(Biochemical Journal)上的论文被撤稿,原因是图片存在重复使用的情况。

塞门扎被撤稿的论文发表于2007年,论文共同作者之一森直树(Naoki Mori)在2010-2011年间撤稿累计17篇。

论文撤稿通常被视为污点,表明研究不够严谨、弄虚作假,进而暗示背后的科学家或团队不可信。但对于那些一流科学家而言,情况恰恰相反:论文撤稿体现了他们公开承认错误的意愿,向研究同行传递了可信的信息。这一举措还为旁人树立了一个榜样——即使他们没有奖项傍身,撤稿也不一定是可耻的。

大佬撤稿是寻常事,前沿科学研究是探索未知的人类智力活动,对新结果和新发现的解读难免出现错误。由于意想不到的外因,搞错数据都纯属正常。实际上,学术大牛撤稿早已屡见不鲜。2019年的拉斯克奖得主、马克斯·普朗克生物化学研究所的阿克塞尔・乌尔里希(Axel Ullrich)也曾在2010年一次性撤回两篇《生物化学期刊》(Journal of Biological Chemistry)的论文,原因同样是存在图片重复使用的问题。乌尔里希将此事归咎于实验室的前博士后青木直人(Naohito Aoki),某个与实验室无关的人揭露了青木的行为。乌尔里希当时说,撤稿的两篇论文只是他研究工作中微不足道的组成部分,而且他不相信青木直人曾蓄意造假,尽管青木最终被撤稿一共10篇论文。他在撤稿后不久告诉《撤稿观察》(Retraction Watch):“回想起来,我认为没有造成重大损失。青木是一个完美主义者,我坚信他没有蓄意编造数据,只是想让结果看起来更完美。”

2004年诺贝尔生理学或医学奖得主之一琳达·巴克(Linda Buck)的撤稿也是因为一位博士后。巴克就职于弗雷德·哈钦森癌症研究中心,在2008年至2010年之间,巴克撤回了三篇论文,其中一篇还是在她获得诺贝尔奖之前发表的。

2009年诺贝尔生理学或医学奖得主哈佛大学附属麻省总院的Jack W.Szostak教授还在撤稿当年获得诺奖。

大部分时候,获奖科学家撤稿的是得奖之后发表的论文。比如哈佛大学的杰克·索佐斯塔克(Jack Szostak),他是2009年诺贝尔生理学或医学奖得主之一,后来不得不撤掉2016年发表的一篇论文,他称这件事“绝对令人尴尬”。

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

撤稿往事被人给扒了出来

当然,撤稿的反面教材也有。一年前,哈佛大学请求相关顶级学术期刊撤销“心肌干细胞”领域的开创者皮耶罗・艾佛萨(Piero Anversa)的31篇论文。经过四年调查后,哈佛大学认为根本不存在所谓“心肌干细胞”,艾佛萨从2001年开始的该领域研究,全都是造假。

撤稿这事儿,表面上看并不复杂。按照撤稿的发起方不同,可分为三类:作者主动申请撤稿,作者所在机构要求撤稿,出版社或杂志撤稿。

确认自己发表的结果无法重复时,作者常常会选择主动撤稿。如果是作者所在机构要求撤稿,事情多半比较糟糕,丑闻的概率也很大。从撤稿原因来说,可分为两类:占六成多数的撤稿,属于欺诈或其他不当行为,包括但不限于图文的伪造、篡改和剽窃,或虚假同行评议等其他学术失范行为;占四成少数的,则是由于错误、可重复性问题或其他问题被撤回。

科学不断发展,一篇论文或一个结论,都未必是绝对真理,只是人类在铺设通往真理的道路上的一块砖。这块砖到底是作为路基,还是作为绊脚石,很多时候取决于科学家和学术圈的态度。从这个意义上说,自我否定与修正才应是科学发展的常态。撤稿,很多时候并不是瞎搞,而是一种对科研负责的认真态度。

2019年诺奖得主格雷格·塞门扎的趣闻轶事(下)

2019年塞门扎将一张27年前印制的小胶卷捐给了诺贝尔奖博物馆,这个小胶卷标志着他的团队发现HIF-1的关键

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