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4輪審稿，耗時2年！90后一作發《自然》
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/7/505070.shtm
在美國加州大學伯克利分校第10年，90后小伙李全偉首次以第一作者身份在Nature發表論文。他所在團隊用量子物理學方法，證明了生物和化學中一個“眾所周知的假設”：僅需一個單光子，就足以啟動一次光合作用。
不過，這篇論文的投稿過程可謂一波三折。
在兩年前的首輪投稿中，一位審稿人措辭嚴厲，質疑這項研究“結果并不令人意外”。隨后漫長的審稿過程中，團隊冒著論文被搶發的風險堅持下來，終成正果。?
這項研究的通訊作者之一、74歲的加州大學伯克利分校化學系教授Graham Fleming感慨說，在他40多年的研究生涯中，發表過幾百篇論文，而這是歷時最長的一次投稿，沒有之一。
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李全偉（右）和Graham Fleming。圖片來自受訪者
一把“錘子”：證明眾所周知的假設
2019年底，李全偉博士畢業前夕，同校化學系的Graham Fleming和Birgitta Whaley拋來橄欖枝，邀請他加入團隊研究光合作用中的量子效應難題。
當時，李全偉的朋友好心地“勸退”他：“這個方向不好做，不少科學家做了很多年都沒有結果，你要慎重考慮。”
Fleming邀請李全偉參與的研究，確實是一項懸置10多年的難題。
早在2007年，Fleming團隊就利用能進行光合作用的綠硫細菌中的FMO復合物，發現能量傳遞實際上利用了量子相干性。這意味著，自然界的光合作用系統中能量傳輸的效率接近100%，量子效應可能起到極為關鍵的作用。10多年間，這篇發表于Nature的開創性研究已被引用超過3500次。
問題在于，當時使用的強大的超快激光脈沖，與自然界中的太陽光源有著很大的差異，也無法排除實驗觀測到的量子現象中的激光脈沖影響。因此，想進一步研究光合作用中的量子相干性問題，必須開發一種新的量子光學實驗方法。
在此背景下，李全偉加入了Fleming實驗室，開始研發量子光光譜學新技術（quantum light spectroscopy）。如果把研究問題比作“釘子”，研究方法比作“錘子”，這篇新發Nature論文的靈感，就發生在打造新“錘子”的過程中。
一直以來，科學家相信只需要一個單光子，就足以啟動光合作用的化學反應。但在過去幾十年里，這個被眾人相信的假設，卻從未被實驗證明。而這項量子光光譜學新技術，恰好能實現單光子照射，并回答有關生命如何在最小尺度上運作的問題。
借用這項技術，李全偉等研究人員創造出了一次只產生一對光子的光子源。當光子探測器捕捉到“標示光子”，這表示與其相伴的另一個單光子被照射到了實驗樣品“捕光2復合物”LH2上。
被LH2吸收的單光子能量，在LH2內部經歷多次能量轉移之后，作為熒光單光子被另一個探測器捕捉，這就是光合作用被單個光子啟動的明確信號。深耕光合作用領域40多年的Fleming不由驚嘆：“大自然耍了一套非常聰明的把戲。”
對許多生物學者來說，單光子啟動光合作用并不是令他們最驚訝的，完成這項單光子實驗的技術更令他們好奇。可以說，這篇Nature論文只是量子光光譜學新技術的“小試牛刀”。李全偉希望，這項正在發展的技術，未來能一步一步揭示像光合作用一般復雜的系統中的量子密碼：量子相干性、量子糾纏……
“你可以這么理解，我們為了量子相干性的‘釘子’，發明了一把新的‘錘子’——一把非常厲害的‘錘子’。”李全偉總結道，“這把錘子不僅能‘釘釘子’，還能‘夯實地基’。”
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簡化實驗示意圖，左側藍色大圓點表示單個光子，右邊紅色大圓點表示熒光單光子。
一個秘訣：交叉學科，借力打力
做出這項研究的秘訣是什么？李全偉的答案是：交叉學科背景。
李全偉告訴《中國科學報》：“我們的研究可以概括為，一個化學系團隊，用量子物理學方法，解決了一個生物學問題。”說完這一長串繞口令，李全偉都忍不住笑了。
其實，在李全偉還未接觸量子生物學領域時，他也一度認為物理學和生物學存在鴻溝。他曾不止一次聽到物理學者感慨：“生物體系太復雜了，我們搞不定。”也曾聽過生物學者自嘲：“沒有基礎，量子力學太難懂。”
但隨著跨學科理解的深入，利用量子理論來研究生命科學，越來越成為物理學和生物學研究的前沿方向。比如這次光合作用研究中的量子光學方法，正是借鑒量子信息學中光子糾纏的底層理論，而后者剛獲得了2022年諾貝爾物理學獎。
這項光合作用研究，尤其得益于李全偉的物理學和工程學背景。
本科時，李全偉就讀于南京大學物理系。從大二起，他就在功能材料學家祝世寧院士實驗室輪轉學習——這是國內最好的光學實驗室之一，也是李全偉做量子光學研究的起點。
2013年，李全偉以第一名成績本科畢業后，來到加州大學伯克利分校攻讀博士。他的導師正是本次研究的共同作者之一、研制出“光學隱形斗篷”的學術明星張翔。
在張翔實驗室的6年多，李全偉慢慢成長為組內“金牌工程師”。從設計搭造實驗裝置，到寫代碼跑程序，他能在短短半年內搭建一個“從零到一”的新系統，性能還不輸國際頂尖實驗室的多年積淀。
有了量子物理學的理論基礎，以及多年單光子、雙光子實驗能力，李全偉與博士后階段的“老板”Fleming一拍即合。在李全偉加盟后，實驗室僅用短短一年半時間，就解決了困擾多年的單光子實驗難題。
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2019年，李全偉在張翔實驗室博士畢業一類痛點：交叉學科難找審稿人
不過，在李全偉看來，研究太交叉“不一定都是好事”。
他介紹，這次發表在Nature的研究審稿周期長，就是吃了學科太交叉的虧。從2021年8月投稿，到今年6月中旬正式見刊，投稿周期歷時近兩年，比這項研究的單光子實驗耗時更久，這在爭分奪秒的生命科學研究中相當罕見。
發稿慢的原因很簡單：當一項研究太交叉，Nature編輯很難找到合適的審稿人，而不同領域的審稿人也很難達成共識。
在首次審稿時，兩位審稿人就對李全偉團隊的研究有截然相反的意見。一位認為，這項研究非常精彩，橫跨了量子物理和生物學領域；另一位則認為該研究證明的是眾所周知的結論，“結果并不令人意外”。
接下來的幾次審稿中，審稿人最長4個半月沒有回復，即使團隊發郵件催促Nature編輯部，依然一無所獲。
在漫長的投稿中，是否要轉投其他期刊？這是科研工作者面臨的共性問題。一方面，重新投一個期刊，等于把所有流程再走一遍，尤其在交叉學科領域，新的編輯找審稿人一樣發愁。另一方面，早些見刊雖然能降低論文被搶發風險，但也會錯失頂級刊物帶來的長期影響力。
李全偉所在團隊選擇等待，直到今年6月，他們的耐心終于得到了回報。
一種常態：那些“沒做出來”的研究
李全偉說，做研究和投稿的耐心來自師徒傳承。
2013年剛博士入學時，李全偉不算一名特別突出的學生。不同于大部分課題組，他的導師張翔給博士生極大的自由度，這讓李全偉得以發揮天馬行空的想象力。
在攻讀博士的6年里，李全偉全憑興趣，嘗試了大大小小10多項研究，但最終出成果的研究只有寥寥幾項。對那時的李全偉來說，學術低谷是一種常態。
印象最深刻的一次失敗，發生在博士第三年。入學以來，李全偉把大部分時間和精力都花在一項材料研究上，其間克服了許多困難，也寄托了很高的期待。但隨著時間推移，李全偉沮喪地發現，這個項目失敗了——他所研究的材料并不具備他所期待的性質。
終于到了匯報進展的日子，李全偉“罰站似的”杵在張翔辦公室門口，遲遲不敢敲門。他似乎已經預見到，這扇門后面等待他的是嚴厲的批評，以及深深的失望。
出乎李全偉意料的是，張翔非但沒有批評，反而安慰他說：“沒事的，這很正常，咱們組也不是每個研究都能做出來”。聽罷，李全偉如釋重負。
后來李全偉才知道，導師張翔也曾有過“低谷”期。在做光學隱形斗篷的前5個年頭，他被問過最多的問題是，“怎么還沒研究出什么東西？”直到2008年，張翔的光學超材料方向的開創性成果被美國《時代》雜志列入當年十大科學發現之一。
接受《中國科學報》采訪時，李全偉不止一次提及那些“沒做出來”的研究。反思當初走過的“彎路”，他建議，在博士研究初期，即使結果沒達到預期，也可以嘗試寫論文、投稿。這樣把科研流程完整走一遍，除了發表論文外，更可以加深對如何做研究的理解。
“不把科研流程‘打通關’，怎么能預見到審稿周期有多長呢？”李全偉笑道。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06121-5
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