李浩东

2024年3月份的一天，我的研究生导师陈道勇教授给我发了条微信消息：“江老师现在办了一个公众号，他说有件事要找你。” 

听到这个消息，我的心情当然是激动的。这里说的江老师就是复旦大学高分子科学系的江明院士，我读研究生期间所在大课题组的组长（Group leader，江老师最得意的头衔之一），现已退休。在校期间，我的学业导师是陈道勇教授，所以学业上和江老师并未有太多的交集。没想到毕业多年后，先生居然还记得我，这让我着实有点受宠若惊。

消息里提到的公众号就是如今大家熟悉的《旦苑晨钟》。是江先生于2023年底带领几位组友、系友发起创办的，旨在“讲科学背后的故事，探故事背后的科学”，以生动有趣的科坛故事为载体，宣扬科学文化精神，推动普及科学文化、思想和精神的传承。因视角独特，可读性强，且饱含科学人文精神，一经推出便受到社会各界的广泛关注与好评。我看过这里发的每篇文章，既有国内外知名学者的故事荟萃，也有工业界前辈的职场感悟，内容丰富，涉及面广，作者都是极其优秀的各界精英。老实说，当江老师在电话那头问我是否愿意写点自己的故事时，我的内心是忐忑的，甚而有些惶恐。我既没有出色的科学研究经历，也没有多少可供后来者参考的有价值的经验。在此分享我的故事，未免有些相形见绌。先生大概听出了我的顾虑，便亲切地说：“不急啊，你先考虑一下。《旦苑晨钟》约稿但不催稿，讲究有故事可讲，且是有感而发。”挂断电话后，我犹豫了一段时间，最终还是决定写点什么。如果非要说出点切实的因由的话，我想除了感激先生对我等后辈的关怀之外，一定是“科学背后的故事”这七个字的缘故了。

一、为科学画像

说起我现在正在做的事，在各位听来或许有些陌生。我愿意称自己为一名科学的肖像师。形象一点的说法就是，我脱下了实验室的白大褂，拿起了颜料和画笔。而和别的绘画艺术的不同之处在于，我是在用手中的画笔，努力描摹科学的样子。尝试通过直观、简单明了的图像/动画，来描绘、阐释看不见、摸不着，复杂、抽象的科学，也就是用图像/动画的方式讲科学知识，将科学可视化，或许可以称为可视化科学。

在讲我自己的经历之前，先给大家分享一位科学家的故事。

故事的主人公名叫Jacob Bernoulli（雅各布·伯努利，下称伯努利），他是十七世纪瑞士的数学家，公认的概率论先驱之一。西方的科学家在死后往往有在墓碑上刻写个人贡献与发明的习惯，伯努利也不例外。生前，他曾醉心于研究等角螺线（也称为对数螺线）的特性，发现这种螺线经过各种变换后仍然是其自身。于是他在遗嘱里要求后人将等角螺线刻在自己的墓碑上，并附以“纵然变化，依然故我”的颂词，有生命虽亡而灵魂不朽的象征之意。

可伯努利未曾料到的是，负责雕刻墓碑的工匠犯了一个简单而致命的错误，他把等角螺线刻成了等速螺线（也称为阿基米德螺线，图1）！虽然都是螺旋线，仅一字之差，但两者的形状有明显差异，性质也截然不同，可谓差之毫厘，谬以千里。遗憾的是，此时的伯努利已经长眠地下，再也没有机会让犯错的雕刻师进行“返稿重修”了。

图1. Jacob Bernoulli的墓碑及所刻螺旋线放大图（左）；等速螺线和等角螺线示意图（右）

从这个小故事可以看出，即便你有再精湛的手艺，能把石头雕出花儿来，为科学画像从根本上来说就不是件能掉以轻心的事。更何况，我所要刻画的内容绝非几根线条那样简单，所用的工具也不是普通的铁锤和凿子。至于我是如何走上现在这条道路的，还得从十多年前开始说起。

其时大概是2011年，我刚读研究生不久。有一天，我在网上看到一段视频动画，名为“The Inner Life of the Cell”（视频1）。这段动画是美国的XVIVO团队和哈佛大学共同制作完成的，十分钟不到的动画，耗时一年多才完成。他们将专业的知识和精湛的技术结合在一起，向大家展示了一个精彩绝伦的细胞内的世界。那里有“飘洋过海”的脂筏，有错综复杂的细胞骨架，有在微管上“负重行走”的马达蛋白（图2），还有“蠕动”的线粒体朝着需要能量的地方进发。那一刻，我的感受只能用震撼两个字来形容。

图2. 视频动画“The Inner Life of the Cell”静帧画面[1]，画面展示的是一个马达蛋白分子拖着“巨大”的囊泡在细胞内的微管骨架上“行走”

这是我第一次沉浸式体验到了科学可视化的魅力，正如单纯的音乐、舞蹈那样，图像同样可以跨越语言文字的障碍，直击人心灵深处。毫无疑问，这段动画真的将细胞生物学带进了人们的生活，首次用直观的视觉表达方式将生命内部最深层的秘密告诉一般的大众。它的背后是完善的制作团队、各种专业的软件工具，以及长期的彼此分工协作。或许从那时起，我的心里就已经有了从事相关视觉工作的萌芽。

不过，很长一段时间这萌芽都静悄悄地埋在土里。我原本期冀的是做出点不一样的研究，从此走上科研的道路。然而现实情况却是每每不得其法。说来惭愧，几年的研究生生涯下来，我最大的收获是对自己糟糕的实验动手能力有了清楚的认知。

从小到大，我在求学之路上还未受到过如此的挫折。在很多个失意的夜晚，我都会独自望着窗外的月亮静静发呆。但发呆是没有用的，生活不会因为你落魄而怜悯你。再后来，延毕、失恋，各种打击接踵而至。我想，再没有比这更糟的了。

从那时起，我才真正开始思考一些关于人生的问题，比如我想做怎样的事，我想活出怎样的人生。

现在回想起来，有个能一直追寻的梦想，有份感兴趣且能坚持做下去的工作，该是多么幸福的一件事啊。直至有一天，我读到一篇1953年发表在Nature杂志上的论文，论文的作者是James Watson（沃森）和Francis Crick（克里克）。他们因为这篇发现DNA双螺旋结构的论文而与另外一位科学家分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。而在此之前，人们只知道DNA是可能的遗传物质，却并不知道它到底长什么样。

关于DNA的结构有两张经典的图像（图3），有意思的是，这两幅图像分别和两位女性有关。一幅是DNA晶体的X射线衍射图（图3左），由女科学家Rosalind Franklin（一位勇敢、杰出的女科学家，至于她为何错失诺贝尔奖，此不详述，留给有兴趣的读者朋友自行查阅）拍摄得到。Watson和Crick正是根据这张照片才推断出了DNA的双螺旋结构（图3右）。

图3. DNA的X射线衍射图（左）[2]；DNA的双螺旋结构示意图（右）[3]

另一幅则是论文中的DNA双螺旋结构示意图。鲜有人知晓的是，这幅图是由Crick的妻子Odile Crick女士绘制的。和略显晦涩且需要晶体学专业知识辅助才能读懂的X射线衍射图相比，这张双螺旋示意图显然更具亲和力。虽然只是抽象的线条勾勒，但却一目了然，螺旋线的形状和间距都把握得恰到好处，没有人会质疑其在现代生物学中的分量。Crick女士也没有想到，人们没有记住她的艺术，但却记住了她的科学插画。

如今，各式各样的DNA双螺旋结构图充斥人们的视野。再回过头来看上面两幅图。左边是科学，深邃严谨，但却抽象难懂；右边是艺术，形象生动，且一目了然。

我的心中忽然闪过一个念头，科学也是需要有肖像师的！尤其那些对于非专业人士来说，晦涩难懂、抽象的科学，是可以用“画”描绘出来，走入寻常百姓家的，也让更多的人更直观地感受到科学的美妙。曾经埋藏心底的那颗种子，似乎早已生根，发芽，等待着破土而出的那一天。

二、弃“研”从“艺”

想要把科学画成画，有两个前提条件。第一，你得懂科学；第二，你得会画画。

身为一名高分子化学和物理专业出身的博士，我的科学知识储备自然是不缺的。问题在于，如何把它画出来？回顾我过往的人生，距离绘画艺术最近的一次还是初中的时候。当时美术老师见我有画画的天分，愿意免费让我参加他的暑期绘画班。只是父母担心以后会影响我的学习，婉拒了这份好意。现在想来未免有些可惜，但好像终究还是没能逃过命运的安排。

不过，和学习画画比起来，有件更加迫在眉睫的事情要解决——那就是离开学校后我该何去何从。为此，我辗转反侧。

博士毕业后，我选择继续留校做一站博士后。我的研究课题也从实验转向了计算和模拟，可能我内心里还是希望能成为一名科研工作者，再努力搏一下吧。毕竟，科学研究和艺术创作是两个跨度相当大的领域。如果选择了后者，意味着我之前多年的坚持与努力似乎都白费了。而且，科学可视化对当时的我来说是个几近陌生的行业，虽有兴趣，但能走到哪一步根本无从知晓。

站在人生的十字路口，我茫然四顾。我知道，迈出下一步的只能是我自己。而踏错一步，可能就会前功尽弃，甚至万劫不复。

或许冥冥中自有天意，我曾在绘制论文示意图时接触到了三维（3D）绘图软件。突然间，我意识到，这不就是为我量身打造的画笔么！如今的计算机图形技术已然形成了一门成熟的学科。即使完全没有美术基础的人，也可以用3D绘图软件创作出符合空间视觉规律和光影特征的图像作品。而且，空间思维一直是我的强项，也许我可以做点不一样的东西。

于是在2017年，我注册了一个微信公众号，取了个很直白的名字——3D科研绘图。开始一边自学3D软件，一边编写相关的科研绘图教程。当时网络上这类科研绘图教程的数量基本为零，我应该算是第一批垦荒者。发布第一篇教程（图4）的那天，我记得阅读量只有几百，当时我觉得能教会几百个人就已经很了不起了。到今天，我的公众号已积累了超过十万名粉丝。其中，90%都是自然科学专业的本科生和研究生。

图4. 我于2017年在个人微信公众号《3D科研绘图》上发布的第一篇科研绘图教程）

也许在旁人看来，一个高分子理学博士教大家画图，这是典型的不务正业。再苛责一些，似乎已有“离经叛道”的嫌疑。但只有我自己清楚，在打开3D软件的那一刻，我的内心是平静且有所期待的。而这平静的背后，是汪洋恣肆。曾经学习过的数理化知识，无意间迸发出的创作灵感，都不约而同地在我脑海中汹涌澎湃起来。这之后，便一发不可收拾。

不到半年时间，我的绘图教程开始被各种网站和自媒体转载。2017年11月8日，我举办了人生中第一场3D科研绘图软件培训课。记得当时零培训经验的我准备得实在太多，恨不能把所有的作图技巧都倾囊相授，临了只讲完了80%的内容。再后来，我承包了课题组里绝大多数科研论文示意图的绘制任务。对绘图感兴趣的师弟师妹们，我也会指点一二。

回望那两年，我就像是个刚发现一块新世界的孩子，内心充满了无处安放的欣喜。往日积攒的压抑也逐渐一扫而空。而与此同时，那两年，又像是一场漫长的告别。和校园里的草木告别，和师友们的期许告别，更是和过去的自己告别。

真正促成我全职走上科学可视化之路的，是浙江大学的陈昌磊博士。他是《研之成理》学术公众号的创办人之一。2018年，他从杭州到上海找了我两三次。在几次交谈中，我意识到我们可以一起做点什么。其实，我心里面大概早已有了主意，陈博士起到了催化剂的作用。

2018年下半年，我、陈博士和钟宇博士在杭州联合成立了一家工作室。工作室的名字叫思斐迩（Sphere的音译），专门给研究人员提供图像绘制服务。之所以起这个名字也有一些讲究，因为小到电子原子，大到天体星球，球的形象随处可见。球体也是任何3D软件中最基本的几何体之一。“斐”和“迩”这两个字则寓意“成绩斐然”和“闻名遐迩”。

就这样，我最终选择了弃“研”从“艺”，正式开启一段全新的为科学绘画的旅途。

三、从零开始

常言道，万事开头难。从科学界跨到艺术界，我几乎是从头再出发，要说压力不大那是骗人的。那一年我刚好三十岁。

摆在我面前的第一个问题，是如何养活自己。当我真的把科学可视化作为一份事业来做时，发现事情并非想象得那样简单。刚开始我能做的，就是不断编写新的绘图教程，以及去各所大学和研究机构做相关的讲座。由于受本身专业的限制，我的培训及报告对象多是化学和材料类专业的学生。这一点就决定了，我们的起步赛道其实很窄。如何在广阔的可视化科学领域扎根立足？这个问题整天萦绕在我的脑海中。

好在随着公众号粉丝数的上升，以及大家的口口相传，我们积攒了第一批客户。起初，我们只招了一名员工，主要业务就是为科研人员绘制科研论文示意图。其中画得最多的，就是各种分子和微纳米材料的结构示意图。

而科学可视化和其他绘画艺术最大的不同在于，必须把科学放在第一位。在创业之初，我就定下了这样两句口号：以图像诠释科学思想，用技术创作科学艺术。这两句口号，说起来容易，做起来又是另外一回事。

比如在蝴蝶的翅膀中，有一种被称作“gyroid”的周期性结构（图5）。这种结构不仅坚固轻便，更关键的是它能引起反射光线之间的互相干涉。蝴蝶翅膀之所以会呈现出五彩斑斓的颜色，原因就在于此。

图5. 蝴蝶翅膀鳞片的横截面扫描电子显微镜图[4]

但是在尝试用软件绘制这一结构时，我却犯起了愁。因为寻遍整个艺术设计圈，也没见有人画过这种模型呀！于是我只能查阅文献，了解结构背后的知识。一番探索下来，我才得知gyroid是一种特殊的三周期极小曲面结构，它有专门的数学方程式：sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(y) = 0。为此，我接触到了一类新的艺术形式——算法艺术。如果不是专门研究此类结构的人，恐怕很难觅得其中的要领。不过现在，我已经可以用3D软件轻松绘制出各种三周期极小曲面的模型（见图6）。

图6. 用Blender软件生成的gyroid模型

图7. Accounts of Chemical Research期刊第50卷第9期封面图

化学和材料领域的科学可视化的兴起不过是近五到十年的事，和生物医学插画不同，我们尚没有一个统一的标准。大多数时候，不得不在摸爬滚打中前行。随着业务量的增加，我们开始招聘更多的设计师，新的问题也随之而来。

这是一个科学和艺术交叉的领域，然而，事实却是绝大多数设计从业人员并没有科学相关的背景。在当今的教育环境下，科学研究和艺术设计注定是彼此割裂的两条路。想要弥合，何其难哉！记得有一次在内部工作会议上，有个新来的员工连什么是氮原子，什么是氧原子都分不清楚。为此我不得不为他们配备一个科学顾问，来帮助解决沟通中遇到的麻烦。

我了解到国内有些服务于科研的绘图公司会把业务外包给兼职人员去做，对此我不以为然。画面效果的良莠不齐还在其次，如果出现科学性的错误，那就得不偿失了，科学容不得半点马虎。我们坚持以科学的态度和专业的技术，对待科学的艺术。

另外一个问题则来自于我们的服务对象。在设计行业，甲方往往被称为“爸爸”。而我听到次数最多的意见就是，“能不能再酷炫一点？”我不知道这种审美风气是何时形成的，但我从根本上觉得，科学可视化不该以所谓的“酷炫”作为追求目标，尤其是将简单的科学“复杂”甚至“玄幻”化。而应当崇尚将复杂、抽象、难懂的科学简单、通俗、科普化。事实上，我们也在通过自己的努力去逐渐引导客户。至少近两年，这样的声音已经少了许多。

另外，在从业过程中，我们也从各种渠道了解到，目前不乏有些科研工作者为了发好文章而过度依赖“美图”，甚至是拼“美图”，而不是拼学术的现象。这间接导致部分学术圈人士对专业绘图公司代作学术论文“美图”一事持怀疑甚至反对态度。 

我不否认有这种情况，也理解这些质疑和担忧。但就科学的发展和传播来看，那些真正有价值的研究并不会因为图像不够“精美”而被埋没。比如上面提到的Crick女士的DNA双螺旋示意图，虽然只是几笔简单的线条，甚至都没有色彩，但却并不影响其在科学界的璀璨光芒。在我心中，这就是最美的科学插图。同样，那些无甚营养的研究即便披上再好看的皮囊，换来的也不过是片刻的自我满足罢了，终将淹没于科学的海洋。

时光荏苒，今年是我正式进入科学可视化行业的第五个年头。中间还经历了三年的新冠疫情，能坚持下来实属不易。这五年间发生了很多事，身边的人来来往往，但我始终不忘“科学至上”的准则。

一路走来，我接触到了形形色色的科研人员，也见识到了以前从未接触过的研究领域。这些研究中，有国内首套自主开发的PET分子影像探针合成系统，有基于机器学习的微粒实时跟踪成像模型，有数十亿年前忒伊亚行星和地球碰撞的模拟，也有无人驾驶车辆的自主感知和交互能力设计。我离开了学术界，反而看见了更多精彩的科学研究！这大概就是塞翁失马，焉知非福吧。

如今，我们已经培养出一支十余人的科学可视化团队。发展虽然缓慢，但不可否认的是，我在科学可视化领域确已闯出了一片自己的天地。2021年底，我应北京大学出版社编辑部魏雪萍主任的邀约，开始撰写《3D科研绘图》一书。该书已于2023年正式出版（图8），这本书算是我对过往几年从事科学可视化工作的经验小结。

图8. 《3D科研绘图与学术图表绘制》，李浩东著，北京大学出版社

四、左手艺术，右手科学

“科学从根本上来说是一种视觉的努力”[5]。这话说得有些偏颇，却不无道理。

今天，科学家已经可以借助“量子显微镜”看到单个原子的图像。它的尺寸大概是一根头发丝的百万分之一，我们甚至可以观察到原子内部的结构。借助于射电望远镜，人类可以拍摄到5500万光年之外的黑洞照片。从微观到宏观的各个尺度上，都能看到科学研究人员辛勤耕耘的身影。不过，由于技术上或表达方面的原因，并不是所有的东西都能用照片直观地呈现。我们现在所做的，就是将那些看不见的，或者需要借助于专业的科学知识才能解读的结构、过程或科学思想画出来给你看。

但于我个人而言，这仅仅只是个开始。

小的时候，我对各类图形和结构就有种敏锐的观察力。在今天使用软件绘图的过程中，这种能力仍时刻伴我左右。有时我会产生一种联想，为科学画像好比是戴着“镣铐”在起舞。那是一种基于秩序和规则的美。

比如病毒，这大概是世界上最危险同时又最美丽的物种了。大多数病毒的衣壳结构都具有二十面体的对称性，像登革热病毒、诺瓦克病毒等。这些结构是如何得到的呢？需要科学家们对相关的蛋白进行照X射线、做核磁共振、冷冻电镜等各种科学测试，然后根据结果，结合各种物理、数学、化学、生物分析，计算出蛋白结构中每个原子的空间坐标。我们正是根据最终的原子坐标文件和病毒的对称性，创建出你现在看到的生动形象、多姿多彩的模型（图9）。

其实，不仅仅是微观的粒子和宏观的宇宙，科学的艺术就存在于日常生活中，只是你未必有注意到而已。

向日葵大家应该都见过。在画家的笔下，向日葵往往是色彩明丽、热烈而奔放的。但你有仔细观察过向日葵的花盘吗？那是一种由正反两种螺旋线构成的神奇图案（图10）。有研究表明，向日葵花盘中种子的排列符合黄金分割比。如果你去数顺时针和逆时针的螺旋线数量，基本集中在21和34、34和55、55和89、89和144这几组数字。

图10. 向日葵的花盘（左）；向日葵种子的排列及其形成的螺旋线（右）

我们再来看一组数列：1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144……从第三个数字开始，每个数都是前两个数字的加和。这就是著名的斐波那契数列。在中国古代的杨辉三角，或者现代代数的二项式展开系数中，你都可以发现以上数字的身影。向日葵的花盘正是通过这种方式得到最紧密而均匀的种子排列。你觉得向日葵懂数学吗？

让我们回到文章开头故事中的对数螺线。不管你将其放大多少倍，它始终能和最原始的图案重合。这有点类似于一种均匀的生长过程，原始的生命在时空中发生匀速的变化。所以你会看到，从变色龙的尾巴到软体动物的壳，到蕨类植物的拳卷幼叶，在自然界中对数螺线无处不在（图11）。

有时候，我会庆幸自己生活在这样一个时代，因为我手中的“画笔”是前人所没有的。得益于计算机图形技术的发展，我可以通过施加指令来作画。必要的时候，我还会通过计算和模拟创造出更加复杂的图案。或许，“最懒”的设计师就是要善于利用规则去创造艺术。向日葵的花盘为何会长出斐波那契螺旋线的排列？借用Peter S. Stevens在Patterns in Nature一书[6]中说的一句话来解释，“not as she pleases but as she must”。它必须这么做，因为这是大自然的规则。而这规则的内核，其实就是科学。

左手艺术，右手科学，大概就是我今后的人生常态。

我很喜欢荷兰画家埃舍尔的一幅画——Day and night（图12）。画面中白色的天鹅从白天飞进黑夜，黑色的天鹅从黑夜飞向白天。再仔细看，你会发现天鹅是由地上的农田逐渐形变而来的。不仅有正形和负形的互补，还有空间和时间上的流逝与交融，这是埃舍尔惯用的手法。

我想，科学和艺术就像这黑白天鹅，两条看似方向截然不同的道路，实际上却有着千丝万缕的联系。那是一场跨越了时空的旅途，两者之间本不该隔阂。 

因为，我们都在以各自的方式，为更好地描述这个世界而努力。

[1] https://xvivo.com/examples/the-inner-life-of-the-cell/.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Photo_51.

[3] J. D. Watson, F. H. C. Crick, Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 1953, 171, 737-738.

[4] Philip Ball, Patterns in nature: why the natural world looks the way it does [M]. The University of Chicago Press, 2016.

[5] Geoffrey Belknap, The evolution of scientific illustration. Nature 2019, 575, 25-28.

[6] Peter S. Steven, Patterns in nature. The Atlantic Monthly Press, 1974.

[7] https://www.nga.gov/collection/art-object-page.54213.html.

郭明雨，姚琳通 编辑

转载自“旦苑晨钟”