当今的生物学研究往往以“大规模”著称——多组学数据、高通量筛选、以及以机器学习驱动的发现逐渐成为常态。在这样的时代背景下，我们很容易忽略一个事实：许多最深刻的科学洞见，并非源自复杂，而是源自优雅。Ulkar Aghayeva 在这篇文章中提醒我们，“优美的实验”并不是科学的浪漫附庸，而是我们以精准与想象力审视自然的关键方式。
从斯佩曼-曼戈尔德（Spemann-Mangold）的早期胚胎实验，到梅塞尔森-斯塔尔实验（Meselson-Stahl experiment）在概念上的突破性阐释，再到现代如 MEMOIR 这样前沿的细胞谱系追踪技术，Aghayeva 展示了这些“优美实验”背后的共同基因：概念上的简洁、设计上的经济，以及以最小干预换取最大洞察的能力。
在生物学研究愈发层层叠叠，被计算、工程与规模复杂性所包裹的当下，这篇文章恰逢其时地提醒我们：最深刻的突破往往来自那些不仅技术严谨，而且在理念与结构上都具有美感的实验。
优美的实验不仅回答问题，更是让问题本身变得更加锋利。它们不仅展示生命如何运作，也展示我们应如何更巧妙地向自然索取答案。
希望这篇文章和激发我们一样，也能激发你重新思考“优雅”在科学发现中的作用，并想象在合成生物学、单细胞技术与智能科研系统崛起的时代，下一代“优美的实验”会以何种方式出现。
——Asimov Press 中国团队
Ulkar Aghayeva 是一位科学作家，也是 Asimov Press 的专栏作者。她还在《The Bass Line》撰写关于音乐史与认知的文章。
早期两栖动物的胚胎只有针尖大小，受精后立即经历快速的细胞分裂。当这个细胞球体增长到几千个细胞时，胚胎开始向内折叠。折叠发生的那个点就是呈凹陷状的原肠孔背唇（dorsal lip of the blastopore），即胚胎新形成的中央腔的开口。在 1920 年代初的德国弗赖堡动物学研究所，才华横溢的研究生希尔德·普罗肖尔特（Hilde Pröscholdt），在汉斯·斯佩曼（Hans Spemann）的指导下，曾在显微镜下观察了数百次这一“原肠形成”的过程。
斯佩曼早期的实验发现，背唇可能对胚胎发育至关重要，但其具体作用机制尚不清楚。普罗肖尔特发展出一种精细的手术技术，使她能够从一种蝾螈（Triturus cristatus）的发育胚胎中切取背唇（细胞未着色），并将其移植到另一种蝾螈（Triturus taeniatus）同阶段胚胎的背唇对侧（棕色细胞）。借助供体与受体组织的颜色差异，普罗肖尔特能够追踪这些细胞的命运。
直到在经历了无数次尝试之后 ²——由于缺乏抗生素以防感染，加上手术本身极其精细——普罗肖尔特才观察到一个极为奇妙的结果。通过将一个胚胎原肠孔的背唇移植到另一枚胚胎上，她成功诱导受体胚胎发育成一个双头生物，也就是一对连体双胞胎 ³。
从双胞胎胚胎的棕色部位可判断，被移植的背唇指示宿主细胞发育出第二条完整的身体轴线。而移植组织自身的细胞仅贡献了第二条脊索（脊椎动物脊柱的前体）。因此，斯佩曼将背唇称为“组织者”（the organizer），它指示周围细胞的命运，引导并组织它们发育成特定的器官和组织 ⁴。
希尔德·普罗肖尔特（婚后姓曼戈尔德，Mangold）未能活着与汉斯·斯佩曼分享他于 1935 年获得的诺贝尔生理学或医学奖 ⁵，但斯佩曼-曼戈尔德组织者的发现被反复誉为胚胎学史上最美的实验之一。在 2024 年庆祝这一实验百年纪念之际，《细胞与发育》（Cells and Development）的一篇社论写道：
希尔德·曼戈尔德那些技艺娴熟的实验、精美的组织学切片以及详尽的实验记录，其精妙之美如今已成为生物学史的一部分。她在弗赖堡大学的这篇论文中所展现出的对细节与卓越的追求，大概无人可比。
但究竟什么才使一个实验称得上是优美的呢？
希尔德·曼戈尔德实验室笔记中的一页。
图片来源：Driever W.等
虽然每一位从事实验科学的研究者都对“什么是一个优美的实验”有直观的感受，而且这种答案并非一成不变，正如更一般的审美价值一样，这些特征在科学史上不断发生变化。在 17 和 18 世纪，人们对实验的审美欣赏主要集中在自然展现其内在之美这一点上（nature unveiling its innate beauty）。当时自然哲学家的主要任务，就是“揭示”（reveal）那些本就存在于自然中的事物。
但在当代语境中，优美的实验指的是那些在构思与执行上都展现出高度契合性的实验（即它们在多大程度上适合用于检验特定假设），并以其清晰性、巧思、手段的简洁，以及结果的重要性而著称。事实上，优美的实验往往体现出实验者投入与系统输出之间强烈的信息不对称性。用理论物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）更通俗的话来说，在一个美的实验中，“你得到的比你投入的更多（you get out more than you put in）。” ⁶
令人惊讶的是，这些特征不仅使实验在审美上吸引人，也使其具有极高的实用价值。在科学史上具有决定性意义、能够解决重大理论不确定性的实验中，这类实验的比例远高于其他实验（在生物学及整个自然科学领域皆如此）。而尽管美的实验似乎来自天才的灵光一现，也许我们仍可以将更多优雅的实验作为科学实践的常规部分。要学会设计优美的实验，第一步是要更好地理解究竟是什么使它们如此美妙。
在 18 世纪欧洲的启蒙时期，实验科学主要被视为揭示自然本身之美（beauty of nature itself）的手段。人们普遍坚信自然秩序井然，人类理智能够理解其规律，而自然的美源自上帝的设计 ⁷。爱尔兰-苏格兰哲学家弗朗西斯·哈奇森（Francis Hutcheson，1694–1746）甚至提出，上帝之所以安排自然真理与我们审美愉悦感受之间这种神秘的对应关系，是为了激发人类的好奇心。
因此，实验者的工作就是揭示那些支配可观测现象的底层力量，类似于最小作用量的统一原则（the unifying principal of least action）：声音振动的模式（克拉德尼板，Chladni plates）、令人眼花缭乱的生命形态、雪花和晶体的对称性（阿维的“原始形态”，Haüy’s “primitive forms”）。如果自然是一幅画，那么实验只是展示这幅画的画框。
在 18 世纪的自然哲学中，实验并不是用来验证已有理论的工具，而是研究的起点。实验之所以优先于理论，也与当时科学探究本质上是归纳性的有关：知识（秉承哲学家弗朗西斯·培根的精神）是通过积累大量精心完成的观察和演示，再将其提炼为理论而建立起来的 ⁸。
这一传统下的实验专注于揭示自然固有的美，而实验设计的细节则处于次要位置。例如，在 1740 年代，来自日内瓦的学者兼导师亚伯拉罕·特伦布雷（Abraham Trembley）在一份池塘水样中偶然发现了一种奇异生物。虽然他当时并不知情，但几十年前，安东尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek）已将这种生物认定为一种“水生植物”（water plant），即水螅（polyp）。然而，特伦布雷仔细观察后发现，它的习性更像动物——它能够移动、伸缩身体，并用口触手捕食食物。
列文虎克绘制的水螅、轮虫及其他池塘生物，1704 年。
特伦布雷将水螅切成两半（以及用其它多种方式分割），惊讶地发现每一片断裂的部分都能再生为完整的个体。他研究了这一迷人过程的多种变化，并详细记录了实验结果。他的大多数实验都是在手掌上用一把剪刀完成，有时辅以一副弱光放大镜。1741 年，他在给法国博物学家雷欧米尔（Réaumur）的信中，将这些出芽的水螅称作“Hydre”，雷欧米尔欣喜地将这一发现分享给了法国科学院（French Academy of Sciences） ⁹。
特伦布雷本人对其发现的重要性持谨慎态度。他最终在 1744 年的著作《水螅史回忆录》（Memoir on the History of Polyps）中对这些发现进行了总结。他作品中充满了惊讶、敬畏和好奇的情感，同时伴随着精细的描述和插图。他关注的焦点——以及热情接受他研究成果的科学界关注的焦点——是再生现象本身，实验仅反映了对这一现象的细致观察，理论解释则由特雷布雷的继任者后来提炼而出 ¹⁰。
然而，18 世纪末至 19 世纪，科学方法论发生了重大转变。随着德国研究型大学模式（research university model）的发展——教学与科研并行推进——实验室成为知识生产的核心引擎。用于观察和测量的科学仪器逐渐标准化，支持了新兴的“机械客观性”（mechanical objectivity）理念。（例如，摄影开始取代生物样本的艺术绘图。）
1840 年，英国博学家威廉·惠维尔（William Whewell）明确表达了在这一新研究环境中占主导地位的假设与实验关系的变化：
我们接受的假设应当能解释我们观察到的现象。但它们不应止于此：我们的假设还应预示尚未被观察的现象。
这一观点在法国生理学家克洛德·贝尔纳（Claude Bernard）1865 年的著作《实验医学导论》（Introduction to the Study of Experimental Medicine）中得到了更为强烈的表达：
假设是……所有实验推理的必要起点。没有它，就不可能进行任何研究，也无法获得任何知识：你只能堆积空洞的观察。没有预设观念而进行实验，就如同漫无目的地游荡。
实验在此背景下成为验证和说明（或反驳）先验理论的手段，而这些理论又建立在早期研究的基础之上 ¹¹。科学推理变得更加演绎化（deductive），从假设的一般性出发推向观察到的特殊性。
伴随这一转变，人们对实验的审美评价方式也发生了变化。关注点从实验展示了什么（自然现象本身），转向实验是如何设计的（其在检验假设方面的适用性）。实验所呈现的美不再是自然本身的完美，而是人类智慧的巧思以及实验操作的简洁高效（human ingenuity and economy of experimental operations）。
路易·巴斯德（Louis Pasteur）对“自然发生说”（spontaneous generation）的反驳，是 19 世纪实验设计美学突显的典范。巴斯德的许多前辈与同时代科学家都支持生命可以自营养丰富的物质（如肉汤或肉块）在接触空气后自发产生的观点。与之相反，巴斯德的假说则认为，活的微生物只能来自空气中携带的既有病原，而非空气本身。
为了验证这一假设，他为实验室设计了特制玻璃器皿——鹅颈烧瓶。他小心地将富含营养的肉汤倒入瓶中，然后煮沸以杀死汤中的微生物，并将瓶口敞开暴露于空气中。由于瓶颈弯曲的几何结构，空气可以自由接触汤液，但携带微生物的尘埃会被困在瓶颈弯折处。巴斯德反复观察到，无论在不同天气、海拔或地理位置条件下，汤液都能长时间保持清澈。
然而，当他倾斜瓶子，使液体将尘埃冲到瓶底，或折断瓶颈时，汤液很快变浑浊，表明微生物开始生长。就观察到的现象本身而言，这一结果或许并不惊人，但当时的科学界欣赏并奖励了 ¹² 这一巧妙的实验设计，因为它决定性地解决了长达数百年的科学争论。
正如密切关注这一争论的物理学家约翰·廷德尔（John Tyndall）所言：“在实验科学中，没有哪个推论比这一结论更可靠。”而巴斯德本人对自己的成就也毫不谦虚：“自然发生说永远无法从这简单实验的致命一击中恢复过来。”
路易·巴斯德的鹅颈瓶。
图片来源：Wellcome Collection
对于当代科学家而言，作为 19 世纪科学观的继承者，关注实验设计本身是再熟悉不过的事情。但究竟什么才算是“优美的实验设计”呢？
优美的实验不仅仅是一个好的实验——好的实验是指具有适当的对照、校准良好的仪器，以及从数据到解释的清晰推理。好的实验“仅仅”是可靠的实验，而优美的实验在可靠性的基础上还具有额外的特质，可靠性在这里被视为认识论上的基本前提。实践科学家和科学哲学家提出，这些额外特质包括实验设计的经济性与契合度、清晰性、决定性、巧妙性、操作简洁性以及结果的重要性 ¹³。
回到威尔切克（Wilczek）的观点：在一个美的实验中，“你得到的比你投入的更多。”由此可见，美的实验也恰恰与蛮力式（brute force）实验相反。¹⁴ 它通过对系统进行精确而微妙的扰动来拷问自然，而这种扰动会引发丰富且富有启示性的反应。要进行如此精妙而具有说服力的扰动，研究者必须已经对系统有良好的模型，能够观察或假设某些模式，用以压缩或跳过不必要的步骤。相比之下，蛮力方法往往意味着缺乏系统模型，基于这种方法的干预粗糙而笨拙，只能抓住系统最表层的特征 ¹⁵。
因此，我们可以理解为什么斯佩曼-曼戈尔德实验被认为是胚胎学乃至整个生物学中最美的实验之一。它不仅展示了这种精妙扰动与投入–产出“正向不对称性”的理念（delicate perturbation and positive asymmetry of effort），还具备优美实验的所有附加特征。其在概念上极为简洁：从一个胚胎切取一块细胞组织并移植到另一个胚胎上——关键是，移植时必须能在视觉上区分供体和受体组织。
然而，斯佩曼-曼戈尔德实验也建立在一个关于移植组织（原肠孔背唇）独特作用的强预测之上。而胚胎作为一个极其复杂且高度敏感的系统，会通过大规模自我重塑来回应这种移植，并以一种极具启示性的方式证实了“组织者假说”。这是胚胎学中最重要的发现之一，同时也极具启发性，开辟了胚胎诱导研究的整个分支领域（a whole subfield of embryonic induction），在一个世纪后的今天仍是活跃的研究方向。
“简洁”（simplicity）是最常被提及的优美实验的特质之一，它代表着自 19 世纪以来科学家普遍认可的一种稳定的“古典式”审美价值。这种简洁包括概念上的简洁、手段（设备与程序）上的简洁，以及操作流程上的简简洁（步骤少）。
另一个体现这种简洁性的例子，是 1961 年马歇尔·尼伦伯格（Marshall Nirenberg）与海因里希·马泰（Heinrich Matthaei）发表的著名 polyU 实验。几年前，弗朗西斯·克里克就曾提出，RNA 可能是 DNA 到蛋白质的信息传递过程中的中介。短寿命信使 RNA 的发现也在 1961 年稍早之前发表。在这一优美的实验中，尼伦伯格与马泰展示了大肠杆菌（E. coli）的无细胞提取物可以作为模型，用来判断一段 RNA 序列是否能够在原理上指导蛋白质合成。
为简化实验设计，他们使用了仅由尿嘧啶核苷酸组成的人工合成 RNA（polyU）。他们将 polyU 加入无细胞提取物中，再加入二十种标准氨基酸的混合物，但每次只让其中一种氨基酸带有放射性标记。只有当苯丙氨酸被标记时，他们才能分离出一种完全由该氨基酸组成的多肽，表明一定数量的 U 核苷酸能够编码苯丙氨酸（遗传密码的三联体性质后来才由克里克及其同事通过另一组同样优雅的实验揭示）。
尼伦伯格与马泰在实验室中。
除了设计的简洁性，polyU 实验的美还在于其结果的清晰性：单一字母的 RNA 模板，将原本巨大的搜索空间（给定长度下所有可能的核苷酸序列）压缩为一个清晰的输出——一种特定的多肽。并且整个实验系统恰到好处地被设计来回答核心问题：RNA 序列与某种特定氨基酸是否存在对应关系？如果存在，那么 polyU 的对应物是什么？作为破解遗传密码的第一步，这一实验的重要性无以言表。
与结果清晰性密切相关的是决定性（decisiveness），这是优美实验的另一特征。它也定义了“关键性实验”（crucial experiments） ¹⁶，即能够决定性排除竞争性假说的实验。这类实验帮助我们在理解特定现象时获得一种完整性。
其中最佳示例或许是梅塞尔森-斯塔尔实验（Meselson–Stahl experiment），它被英国医师兼生化学家约翰·凯恩斯（John Cairns）称为“生物学中最美的实验”。这项实验决定性地确立了 DNA 复制的半保留机制（semiconservative mechanism），同时排除了另外两种可能性：全保留复制和分散复制（conservative and dispersive replication）。
在 1953 年那篇开创性论文中，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了 DNA 可能的复制方式，尽管他们当时在文中并未把这一过程表达得十分清楚。这一复制方式后来被称为半保留复制模型：在复制过程中，DNA 的两条链彼此分开，每条链都作为模板，指导新链的合成。然而，当时的分子生物学家仍心存疑虑：这种方式在能量上是否可行？也就是说，DNA 碱基之间的氢键是否真的能在整条分子长度上被“解开”。
作为替代方案，加州大学伯克利分校的分子生物学教授冈瑟·斯坦特（Gunther Stent）提出了全保留复制模型：在复制时，亲代 DNA 分子的两条链完全保持不变，而复制出的两条新链构成一个全新的分子。这样，复制结束后会保留一份完整的亲代分子以及一份完全新合成的子代分子。
与此不同，加州理工学院噬菌体学派（the Phage Group）的创始人马克斯·德尔布吕克（Max Delbrück）提出了分散复制模型：DNA 的合成以短片段的方式进行，两条链交替作为模板，且过程中会不断在不同位置断开。按此模型，亲代 DNA 的片段会与新合成的片段交错混合，分布在子代 DNA 分子的各处。
DNA 复制的三种模型。
梅塞尔森与斯塔尔意识到，这些模型“在预测亲代分子中的原子如何分布到子代分子上存在差异”。他们实验的巧妙之处在于所采用的标记技术——既能追踪 DNA 链的命运，又能通过超高速离心按重量将它们分离。
两位研究者使用一种较重的氮同位素 ¹⁵N 来标记大肠杆菌中的 DNA 分子。他们将细菌培养在以氯化铵（NH₄Cl）为唯一氮源的培养基中（细菌通过代谢将其氮原子并入 DNA 碱基）。细菌在这种“重氮”培养基中生长了足够长的时间——14 代——这意味着它们 DNA 中的所有氮原子都可以合理地认为已被重同位素完全替换。
随后，梅塞尔森与斯塔尔突然将氮源换成含有轻氮同位素 ¹⁴N 的氯化铵。之后，他们从改用轻氮培养基后各代生长的大肠杆菌中分离 DNA，并将这些 DNA 置于超速离心机中分离 ¹⁷。结果显示：在更换同位素后的第一代细菌中，其 DNA 的密度介于完全由重同位素标记的 DNA 与完全由轻同位素标记的 DNA 之间。接下来的几代中，DNA 信号在“中间密度”和“轻密度”两部分之间分配，其模式恰好与半保留复制模型的预测完全一致。¹⁸
梅塞尔森-斯塔尔实验立即被科学界誉为“极其美妙”，冈瑟·斯坦特甚至称梅塞尔森为“分子生物学界的莫扎特”（the Mozart of molecular biology）。
在《美与野兽：科学中的审美瞬间》（Beauty and the Beast: The Aesthetic Moment in Science）一书中，德国科学史学家恩斯特·彼得·费舍尔（Ernst Peter Fischer）对梅塞尔森-斯塔尔实验的概念之美做出了恰如其分的评价：
该实验的一个条件是使遗传物质在物理上变得更重，而不改变其化学性质。这一理念本身就具有某种美感，它体现的理解是：原子的化学性质（例如与其他原子形成化学键的能力）由它的外层电子决定，而其物理性质（例如质量）则隐藏在原子核内部。
因此，像斯佩曼-曼戈尔德实验一样，梅塞尔森-斯塔尔实验体现了优美实验的全方位特征：概念和操作的简洁性、清晰性、解释的明确性（决定性）、设计巧妙性以及结果的重要性。
历史上被公认为“优美”的生物学实验，大多来自 20 世纪，那是生物学作为一门定量科学走向成熟的时期。这一时期，得益于显微镜、光谱学和晶体学的进步，研究者可以在细胞和分子层面进行解析。由于当时的实验通常局限于单个基因、单个生化反应或特定的细胞或生理背景，因此一个最小化的实验设计就能解答一个重大的理论问题。实验结果几乎可以立即被清晰地观察和理解，例如 polyU 实验和梅塞尔森-斯塔尔实验。
相比之下，21 世纪的生物学是一门大规模实验科学，这类实验缺乏即时可观测性，需要通过复杂的计算数据分析才能解释结果。随着技术不断发展，我们现在可以同时分析数千个细胞的全基因组、转录组、蛋白组和代谢组；然而，这类实验很少符合早期生物学所体现的“经典”美学标准。它们的美更多体现在抽象的概念层面，而非直接的实验操作，后者通常更为复杂，步骤繁多。
当代生物学中体现抽象之美的一个典型例子是 MEMOIR（memory by engineered mutagenesis with optical in situ readout，即“通过工程化诱变并结合光学原位读出的细胞记忆”），这是由加州理工学院的 Michael B. Elowitz、Long Cai 及其同事开发的一种细胞谱系追踪系统。MEMOIR 本质上是一种追踪个体胚胎细胞命运的方法，用以绘制细胞谱系及其后代在体内的位置。
以小鼠为例，该方法包含以下步骤。研究者首先将胚胎干细胞工程化，使其携带两个关键组件：可诱导表达的 Cas9 基因以及指导 Cas9 蛋白识别基因组中特定位点的导向 RNA，这些位点称为“条码记录位点”（barcoded scratchpads）。每个记录位点包含一段短 DNA 重复序列，后跟一个唯一标识码（条码）。
当 Cas9 基因被激活 ¹⁹ 时，它会产生基因编辑蛋白（gene-editing protein），该蛋白结合导向 RNA 并切割这些记录位点，有时会删除其中的部分序列——作者称之为记录位点的“坍塌”（scratchpad “collapse”）。在连续的细胞分裂过程中，不同的细胞会随机累积不同组合的“坍塌”与“未坍塌”的记录位点，从而形成一套关于它们共有和分化历史的组合记录（a combinatorial record of their shared and divergent histories）。
随后，研究人员可以利用空间测序技术（如单细胞荧光原位杂交，smFISH）读取发育后个体中每个细胞的记录位点。这种方法在不破坏细胞的情况下，在其原位环境中检测由记录位点转录而来的 mRNA。最终，科学家能够确定哪些细胞来源于哪些祖细胞，以及这些细胞在个体中的位置。这是以单细胞分辨率来研究整个生物体尺度的发育生物学。
MEMOIR 之所以优美，部分原因在于它的输入非常稀少：Cas9 在特定时间窗口被激活，并在基因组中留下其活动的分子记录，而这些记录会被传递给祖细胞。然而，它的输出却极其丰富，甚至在过去的技术条件下根本无法实现：重建完整的细胞谱系图。可以说，MEMOIR 的实际操作技术上并不简单——它需要多步骤的基因组工程、smFISH、成像与图像分析，和“简单”可以说差得很远。但从概念上看，它是一个非常优雅、美丽的实验（或更准确地说，是一种实验方法）。
因此，即便 21 世纪的生物学实验整体上技术愈发复杂，设计的恰当性与概念上的简洁性（哪怕操作上并不简单）仍然是优美实验的核心标志。
smFISH 可以测量单个细胞中超过一千条 RNA 分子的空间位置。图中的每个小点代表一条 mRNA 分子，不同颜色表示不同的 mRNA 序列。
图片来源：Chen K.H. 等，Science（2015）。
尽管启蒙时期的思想家们认为自然以其简洁和可理解性呈现出美，但我们现在知道，自然（所有生物的总和）是盲目而蹒跚的进化过程的产物，并不总能达到最优美、最经济的解决方案。重要的是，这些解决方案足够适应生存与繁殖。因此，生物学不必遵循我们对美的期望。
例如，弗朗西斯·克里克最初提出的每种氨基酸由独特三联体编码的优雅设想被证明是错误的——后来研究发现，大多数氨基酸实际上是由多个核苷酸三联体编码的。正如 BRAIN 计划联合主席威廉·纽瑟姆（William Newsome）所言：“在生物学中，有时可以优雅而错误（In biology, it is possible to be elegant and be wrong）。”
尽管如此，可以认为，虽然生物本身以及我们关于其运行规律的理论并不一定总是优美，但将实验设计得优美仍具有持久的价值。这是因为实验是我们探问自然的工具，而我们完全可以通过使这些工具最适合其用途来“磨砺”它们。原则上，即便研究对象混乱复杂，也有可能设计出优美的实验。关键在于我们如何提出问题，以及如何巧妙地刺激和操控所研究的系统（how we poke and prod the system under study），从而“说服”它向我们揭示其运作机制。
当然，科学的日常实践并非由一系列设计精巧、一次即成功的实验组成。实际上，实践科学家们常谈到在构思和执行实验过程中所遇到的混乱、不确定性和磕绊。一个优美的实验，实际上可能是经过数月杂乱的“夜间科学”（night science，由法国生化学家、诺贝尔奖获得者弗朗索瓦·雅各布提出的概念）²⁰ 沉淀提炼而成的成果。
然而，这种“夜间科学”提供的“工作坊”式实践，可能正是获得“对生物体的直觉感受”所必需的。正如另一位诺贝尔奖获得者芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock）所说，她在毕生研究植物中活动性遗传元件时，对玉米的这种敏锐感知，使她能够建立起对系统的良好模型，从而设计出优美的实验。
归根结底，正如我们对优美实验的探讨所表明，这类实验不仅是可靠和可信的，更具恰当性、简洁性（至少在概念上）、经济性和启发性。它们非常适合检验特定假设；实验步骤完整且无冗余，并能产生高信息增益。无论我们的研究对象是什么，以具备这些特性的实验设计来接近它，就超越了单纯的审美欣赏，进入了最富成效且最具意外收获的科学领域。
注释：
1. 译者：斯图尔特·阿特金斯（Stuart Atkins）
2. 普罗肖尔特总共进行了 259 次移植实验，其中 f 项发表于她 1924 年与斯佩曼合作发表的论文（另有两项被提及但未展示）。在当今时期，这样的论文可能会因为样本量过少而难以发表，但幸运的是，当时获得了良好评价。
3. 普罗肖尔特仔细解剖了这些胚胎，并对薄横切片进行了多种对比染色，同时基于这些切片绘制了详细的手绘图。这使她能够借助供体和宿主组织的不同色素沉着，在细胞层面追踪二者的命运。
4. 严格来说，如果一组细胞能够诱导神经板（神经系统的前体）和完整的身体轴，则可在斯佩曼意义上被定义为“组织者”。后续研究表明，组织者是信号分子的来源，其中大多数信号分子会抑制主要发育通路。
5. 她的生命在 26 岁时悲剧性地结束，就在她与斯佩曼合著的论文于 1924 年发表之前。
6. 该引用出自 2016 年弗兰克·威尔切克《美丽的问题：发现自然的深层设计》（A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design）一书。
7. 罗伯特·胡克甚至认为，美是自然现象区别于人造物的标志：“[艺术]在其一切作品中，甚至是在那些看似最精巧的作品中，都是如此不精确；如果用比它们被创造时更精密的工具去检视，它们的形状看得越清楚，美感反而越少；而在大自然的作品中，越深的发现却展现出越卓越的美。”
8. 正如启蒙时期化学家约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）在 1779 年所写，我们“过于急于去理解自以为理解的那些现象。如果我们能满足于对新事实的简单认知，并在其原因尚未明了时暂缓判断，直到通过类比引导我们发现更多性质相似的事实，那我们将走上一条更为可靠的通向真正知识的道路。”
9. 在一次公开实验中，他惊呼：“太神奇了！从未有人见过动物用一种通常用于杀死它们的方式来繁殖。”
10. 特伦布雷的研究为“渐成论”（epigenesis）支持者提供了证据。渐成论者认为胚胎是逐渐发育而成的，这与“预成论者”（preformationists）的观点相对立，后者主张胚胎是由预先存在的部分（俗称“小人”理论，homunculus）构成的。
11. 关于这一转变，科学哲学家格伦·帕森斯（Glenn Parsons）与亚历山大·鲁格（Alexander Rueger）指出：“当拉瓦锡在 1789 年撰写其《新化学》教材时，以理论教义开篇，而不是先描述实验和仪器并在列出事实后再指向理论，这标志着旧科学方式与新科学方式之间著名而戏剧性的碰撞。”
12. 1862 年，巴斯德因解决自然发生论之争而获得法国科学院设立的阿尔亨伯特奖（Alhumbert Prize）。
13. 尽管后一标准在科学哲学家中存在争议。并非所有人都认为实验结果的重要性是判断实验是否优美的必要条件。相反，即使实验没有带来突破性发现，甚至得到空结果，只要实验设计本身成立，也足以被认为是美的。
14. 历史上也确实存在一些让人赞叹其巨大投入的“蛮力实验”。例如罗杰·吉列曼（Roger Guillemin）与安德鲁·沙利（Andrew Schally）的竞争实验室，为了分离那极微量由大脑中微小区域产生的肽类激素，处理了数百万份羊和猪的下丘脑组织。这类研究需要长期的坚定信念、不懈毅力和决心，但我们不会称这类实验为“优美”。部分原因是受限于当时粗糙的技术条件，这种蛮力手段在所难免。
15. 感谢 Amanuel Sahilu 指出这一联系。
16. Experimentum crucis，即关键实验，由罗伯特·胡克提出，并由罗伯特·波义耳首次用于描述 1648 年布莱兹·帕斯卡尔的水银气压计实验。
17. 实验中，样品被置于氯化铯溶液中高速旋转。物质密度越大，离旋转轴越远。氯化铯溶液沿轴向形成密度梯度，DNA 样品在其密度等于溶液密度的位置达到平衡。
18. 相比之下，保留复制模型预测在随后的世代中只会出现轻型和重型 DNA，而分散复制模型则预测在所有后续世代中只会出现中等密度的 DNA。
19. 更精确地说，Cas9 与一个使其不断降解的降解标记（degron）融合，直到加入一种称为 Shield1 的小分子来阻止降解，从而实现 Cas9 的“激活”。
20. 弗朗索瓦·雅各布（Francois Jacob）在《关于苍蝇、老鼠与人类》（Of Flies, Mice, and Men）及《内在的雕像：一部自传》（The Statue Within: An Autobiography）中（引用如下）写道：
“夜间科学……犹豫、蹒跚、退缩、流汗、惊醒。它怀疑一切，永远在寻找自我、质问自我、重新聚合自我。夜间科学是一种可能性的工作坊，在这里科学的建材得以锻造（Night science is a sort of workshop of the possible where what will become the building material of science is worked out）……在这里，现象仍是孤立事件，彼此间毫无联系……思想沿曲折小径蜿蜒前行，常常无果……指引思维的不是逻辑，而是本能、直觉，以及对理解的渴望。”
作者感谢 Amanuel Sahilu、Jacob Kimmel 及 Ella Watkins-Dulaney 提供的有益而富有启发性的讨论。文章封面图由 Ella Watkins-Dulaney 提供。
引用：
Aghayeva, Ulkar. “What Makes an Experiment Beautiful?” Asimov Press (2025). DOI: https://doi.org/10.62211/97qs-98pk
英文原文链接：https://press.asimov.com/articles/beautiful-experiments
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