纪要 |【科技史前沿讲座49】科学可视化中的新兴客观性：分子模拟中的认识论转变与迭代精确性

编者按：

  2024年9月19日，北京大学科学技术与医学史系的马大年（Daniele Macuglia）助理教授在北京大学静园一院201室为听众带来了一场关于分子模拟历史的讲座。在这场深入探讨了动态可视化在分子模拟领域的变革性作用的讲座中，马老师梳理了自20世纪后期以来科学可视化在历史、认识论及技术层面的转变，特别强调了分子动力学（MD）模拟从静态表示演变为如今在科学探究中发挥积极作用的交互式动态工具的过程。

   马老师的讲座充分引用了与其有深入合作的哈佛大学诺贝尔奖得主Martin Karplus的开创性工作，详细介绍了早期分子动力学模拟的历史局限性。早期的分子动力学模拟受限于分子结构的“前后对比”静态表示。例如，图1展示了折叠的BPTI（牛胰胰蛋白酶抑制剂）蛋白在300K下进行3.2皮秒分子动力学模拟前（a）和后（b）的静态结构对比，生动展示了在捕捉分子随时间变化的行为方面所面临的挑战。尽管这些可视化非常有价值，但它们在表示复杂分子过程（如蛋白质折叠和酶促反应）的连续时间动态方面存在不足。

图1. 折叠的BPTI在300K下进行3.2皮秒MD模拟前（a）和后（b）的静态结构对比。这些早期的分子可视化展示了原子水平的波动和构象变化，但缺乏捕捉蛋白质折叠过程连续动态所需的时间分辨率。图片来自J. Andrew McCammon, Bruce R. Gelin, and Martin Karplus, “Dynamics of Folded Proteins,” Nature, 1977, 267:585–590, 586页.

   为应对这些局限性，Karplus及其团队在20世纪60年代末开创了分子可视化的新方法，引入了分子动画（molecular movies）。这些动态可视化提供了与时间相关的序列，使科学家能够实时观察分子相互作用，并帮助克服静态图像的时间局限性。Karplus受18世纪威尼斯画家Canaletto的透视技巧启发，Canaletto在深度和空间表现方面的精湛技艺为分子系统的可视化提供了灵感。如图2所示，反应性（左）和非反应性（右）的分子碰撞通过Karplus的早期分子动画得以呈现。这些动画将计算精度与视觉深度相结合，更加准确地展示了分子系统的动态。

图2. Karplus及其团队的早期分子动力学模拟中捕捉到的反应性（左）和非反应性（右）碰撞。这些可视化作品由Ivan Sutherland协助完成，代表了计算精度与透视表示的关键整合，为分子动画奠定了基础。参见Martin Karplus, “Development of Multiscale Models for Complex Chemical Systems: From Molecules to Biomolecules,” Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53:9992–10005, 9994页.

      实时观察分子相互作用的能力对科学可视化产生了深远影响，标志着认识论方法的重大转变。正如马老师在讲座中所阐述的，这一创新将分子模拟转变为科学探究的积极工具，与Ian Hacking提出的“表征与干预”（representing and intervening）概念框架相吻合。与传统的分子现象的被动表征不同，动态可视化已成为虚拟实验空间，科学家可以在其中测试假设、改进模型并直接操控分子结构。

  第二个重要的进展是1995年由Klaus Schulten领导的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校团队引入的可视化分子动力学（VMD）。马老师指出，可视化分子动力学标志着科学可视化的一个新阶段，它使科学家能够与分子结构进行实时交互。研究人员现在可以动态操控分子，包括旋转、缩放和调整参数以观察即时结果。这种从被动观察到主动操控的过渡，正是马老师所说的认识论转变：可视化不再仅仅是一个表示工具，而是科学过程不可或缺的一部分。

  讲座中引入的一个关键认识论概念是“迭代精确性”（iterative accuracy），它反映了分子模拟中精确性概念的演变。传统的科学精确性追求的是现象的最终的、静态的表示。而与静态的精确性观念不同，分子模拟的动态性质要求一个持续优化的迭代过程。随着新数据被纳入模型——如蛋白质折叠模拟中的瞬态中间态——科学家必须迭代地调整他们的可视化和假设。这个动态过程在图3中得到了体现，动态可视化展示了乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase）门控机制的瞬态分子状态，这些状态是静态图像无法捕捉的。迭代精确性概念体现了从固定精度到随着科学洞察的进展而不断演变的精度的转变。

  此外，马老师提出了“视觉思维景观”（visual mindscapes）的概念，阐明了动态可视化在科学理解形成中的积极作用。与促进跨学科交流的静态边界物体（boundary objects）不同，视觉思维景观通过允许科学家实时参与分子动力学来积极共同构建知识。在讲座中，马老师引用了Peter Galison的“交易区”（trading zones）概念，认为视觉思维景观不仅仅是学科之间的工具交换。相反，这些动态可视化工具创造了全新的认知空间，促进了实时假设测试和模型改进，科学家能够以前所未有的方式直接参与他们研究的现象。这一转变的核心是科学客观性的重新定义。正如Lorraine Daston和Peter Galison在其著作《客观性》（Objectivity, 2007）中所阐述的，传统的客观性主要围绕两种关键的认识德性展开：真理对自然（truth-to-nature）和机械客观性（mechanical objectivity）。19世纪，真理对自然寻求创建现象的理想化表示，捕捉其普遍本质。相反，机械客观性这一概念在19世纪末和20世纪初兴起，强调通过机器生成的、最小化人为干预的无偏图像。在这一背景下，马老师提出了“新兴客观性”（emergent objectivity）这一概念，它既基于Daston和Galison的框架，又拓展了这一框架，以应对非线性复杂系统（如分子模拟、神经网络和气候模型）的认识论需求。虽然“真理对自然”和“机械客观性”的原则在某些科学领域仍然适用，但它们对于需要持续优化和实时互动的动态系统而言是不足够的。在这些情况下，客观性不是一个静态的状态，而是一个通过模型、数据和科学家的干预之间的迭代反馈回路不断演变的过程。

  正如马老师所阐述的，“新兴客观性”补充了Daston和Galison的历史框架，提出了一种适用于复杂系统的客观性形式。在分子模拟的背景下，诸如可视化分子动力学生成的实时可视化不仅仅是分子结构的被动表示，而是科学知识构建的积极贡献者。在这一背景下，客观性通过一个持续的互动和优化过程得以实现，科学家通过操控模型并根据实时反馈调整参数。这个迭代过程正如乙酰胆碱酯酶的动态可视化（图3）所示，反映了对客观性的重新思考——它不是一种最终的、稳定的表示，而是随着所研究系统的变化而演变的概念。通过扩展Daston和Galison的客观性概念，马老师的新兴客观性为我们提供了一个框架，用于理解现代分子模拟中的可视化如何成为知识的共同构建者。这些动态可视化工具促进了实时假设测试和模型改进，从而将客观性重新定义为模型与现象之间不断调整的过程。该过程能够敏锐地反映所研究系统的非线性和演化性质。

图3.乙酰胆碱酯酶的门控机制可视化。上图（a）显示了瞬态构象状态，左图显示部分堵塞的通道，右图显示开放的通道，允许底物进入。下图（b）展示了酶结构的立体视图，箭头指示了导致门控过程的分子运动。该图强调了动态可视化在捕捉瞬态分子状态和实时改进理论模型中的作用。参见Martin Karplus和J. Andrew McCammon, “Molecular Dynamics Simulations of Biomolecules,” Nature Structural & Molecular Biology, 2002, 9:646–652, 649页.

总而言之，分子模拟中从静态到动态可视化的转变不仅是一项技术创新，而且是一种科学知识生产中的深刻认识论转变。通过将这一转变置于Daston和Galison理论框架的更广泛背景中，马老师展示了“新兴客观性”概念如何自然地扩展了他们的框架，适应了21世纪科学复杂现实的需求。通过迭代精确性、视觉思维景观以及与分子系统的实时交互，科学家不再仅仅是旁观者，而是在动态互动探究时代中的共同构建知识的积极参与者，从而重新定义了客观性。