21专访丨诺贝尔化学奖得主约阿希姆·弗兰克：AI再强大 也无法取代实验科学

“人工智能能够帮助科学家更快地分析数据、提出假设，但它永远无法替代实验揭示未知。”

2026年年初，在阿联酋迪拜，2017年诺贝尔化学奖得主、“单粒子冷冻电镜之父”约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）接受南方财经、21世纪经济报道记者独家专访时，给出了这样的判断。

近年来，人工智能正以前所未有的速度改变科学研究。从能够预测蛋白质结构的AlphaFold，到越来越多应用于药物研发、材料设计和生命科学研究的大模型，AI正成为科学家不可或缺的新工具。它能够快速阅读文献、分析海量数据、寻找规律，甚至帮助研究人员提出新的研究思路。与此同时，一个问题也越来越频繁地被讨论：当AI越来越“聪明”，实验科学是否还像过去一样不可替代？

对此，弗兰克的答案十分明确。在他看来，AI是一种强大而高效的工具，它能够加速科学研究，却不能代替科学发现。因为AI学习的一切，都建立在已有知识和实验数据之上；而真正突破认知边界、发现未知规律，仍然离不开科学家一次次走进实验室，对自然世界进行观察、验证和探索。

这样的理解，与弗兰克几十年来的科研经历密不可分。

20世纪七八十年代，当结构生物学主要依赖X射线晶体学时，科学家只能研究那些能够形成晶体的生物分子，大量在生命活动中起关键作用的蛋白质始终难以被直接观察。面对这一难题，弗兰克选择了一条几乎无人尝试的道路——利用电子显微镜，对溶液中随机分布、不断运动的单个生物分子进行拍摄，并通过计算方法将大量二维图像重建为三维结构。

这在当时看来近乎异想天开。电子显微镜拍摄的图像噪声极大，每一张照片都模糊不清，许多人认为几乎不可能从中恢复出真实结构。然而，经过数十年的坚持，弗兰克与同行共同推动了单粒子冷冻电镜技术的发展，使科学家第一次能够以接近原子分辨率观察核糖体、病毒、膜蛋白等复杂生命机器的真实结构。这项革命性技术不仅改变了结构生物学，也成为现代创新药研发的重要基础。2017年，弗兰克因此获得诺贝尔化学奖。

值得一提的是，中国冷冻电镜领域的发展也与弗兰克有着深厚渊源。高宁、雷建林、高海啸等多位中国科学家都曾在他的实验室学习，并在回国后推动建立我国早期冷冻电镜研究平台，为中国结构生物学的发展培养了一批重要人才。

如果说显微镜让人类第一次看见肉眼无法触及的微观世界，计算机让科学家能够处理越来越复杂的数据，那么今天，人工智能正在成为科学研究的新伙伴。但在弗兰克看来，无论工具如何演进，科学发现的起点始终是真实世界本身。AI可以帮助人类更快地抵达答案，却不能代替人类提出真正的问题，也不能替代实验揭示未知。

当人工智能不断提升人类认识世界的速度，实验科学是否仍将是推动科学进步不可替代的力量？面对AI时代的科学革命，这位改变人类“看见生命”方式的诺贝尔奖得主，给出了自己的答案。

请看南方财经《高端访谈：对话全球科学巨匠》第五期之对话约阿希姆·弗兰克。

约阿希姆·弗兰克。资料图

冷冻电镜：从技术突破到产业应用

南方财经：你获得了2017年诺贝尔化学奖，请问该研究是如何开始的，又是如何应用到产业以及我们日常生活中的？

约阿希姆·弗兰克：我作为三位获奖者之一，在2017年被授予了诺贝尔化学奖。在那之前的数十年里，我们一直致力于开发一种全新的三维分子成像技术。数据的采集完全依赖于电子显微镜。电子显微镜类似于光学显微镜，但体积要大得多，它利用电子来获得更高的分辨率。

我个人的核心贡献在于构思了如何直接从分子本身——特别是溶液中单个分子的层面来收集数据。以往，数据主要从分子的晶体排列中获得，但大多数分子并不容易形成晶体。它们更倾向于留在溶液中，这种状态更接近生命本真，更像它们在体内的自然状态。因此，从单个分子获取三维信息的技术要优于其他方法。

经过大量的计算工作以及仪器和计算能力的持续改进，我们现在已经能够实现原子级分辨率。这意味着我们可以构建分子的原子模型，这对于分子医学至关重要。现代医学很大程度上是分子医学，它基于对体内分子相互作用的理解。因此，我们开发的技术如今已在世界范围内使用，数以千计的结构已通过这种方法得到解析。

这是基础研究，因此你无法明确指出它已经解决了哪个具体问题。但是，多年之后，关于分子结构的知识会逐渐渗透到药物研发等更广泛的领域中。

南方财经：你和中国显微技术的发展渊源深厚，如何看待中国在这一领域的发展情况？

约阿希姆·弗兰克：现在的进展确实非常惊人。我看到各地对这一技术都有惊人的投入。不过，我必须提到，中国在这一领域的先驱是我的三位博士后。在他们之前，中国是没有冷冻电子显微镜的。他们于2008年来到北京的清华大学，并在那里建立了整套技术体系。现在，成百上千的研究人员正在不同的机构从事这一领域的工作，例如复旦大学、北京大学、清华大学以及中国科学院下属的各个研究所。他们现在拥有众多的先进显微镜和相关设备。

AI无法取代实验科学

南方财经：你如何看待这一基础研究领域的未来趋势？

约阿希姆·弗兰克：现在关于人工智能的讨论很多，但存在一个很深的误解。人们认为，有了AI，我们就不再需要实验科学了——我们可以直接预测结构。这完全没有道理。

以AlphaFold为例。它是一个基于数十年实验结构数据来预测结构的程序。因此，它的知识源于之前成千上万人的工作。AlphaFold作为一个AI程序，可以预测与已研究结构相似的那些结构，但它无法预测任何超出这个范围的东西。

实验科学才是真正的科学。像AlphaFold这样的AI常常能使流程变得更简单并加速研究，但它永远无法取代实验科学。

南方财经：有人认为，基础研究正变得越来越困难，因为“低垂的果实”已经被摘完了。你对此怎么看？

约阿希姆·弗兰克：这是彻头彻尾的无稽之谈。在历史的几乎每一个阶段，都曾出现过这种论调——“哦，我们现在已经彻底理解了”——而这从来都是无稽之谈。

一个著名的例子是1905年。当时人们认为，我们已经触及人类知识的极限，从那时起，只需要更好的工程来应用现有科学，不会再有任何根本性的新发现了。然而就在1905年，爱因斯坦发表了多篇论文，改变了那个世纪余下的时间乃至更远的未来，催生了量子力学和相对论等突破。

所以，每当你听到人们发表此类言论时，直接忽略就好。

南方财经：你所在领域的科学家目前正面临哪些挑战？

约阿希姆·弗兰克：在我的领域，我们已经开发的技术主要用于确定静态结构——这意味着它们是不动的。现在的挑战是：它们如何运动？当分子相遇并发生反应时会发生什么？我们如何捕捉快速演变的中间状态？现有技术无法实现这些。

我已经投入精力来突破这一点。新方法仍然使用冷冻电子显微镜，但结合了微流控芯片。这使得人们可以在芯片上启动一个反应并实时追踪它。反应产物随后被喷洒到电子显微镜的载网上，用液氮超低温冷冻，最后进行计算分析。利用这项技术，人们可以在极短的时间间隔内启动和停止反应，并观察出现的中间产物。本质上，我们可以制作一部反应过程的“电影”。

这是一项全新的技术。我们已经证明它对我们所研究的分子有效，特别是核糖体，但它也可以应用于许多其他分子。这项技术应该被所有配备冷冻电子显微镜的实验室所采用。

扫码查看更多专访诺奖得主细节