祝冷冻电镜之父JoachimFrank
82岁生日快乐！
约阿希姆·弗兰克，德裔生物物理学家，美国国家科学院院士，现任美国哥伦比亚大学教授，研究领域包括生物化学、分子生物物理学等。
年到年间，弗兰克教授完善了电子显微镜图像处理的单颗粒算法，发明了SPIDER软件，该软件至今为全世界上百家实验室广泛使用。弗兰克教授应用冷冻电镜和单颗粒技术，在解析原核和真核细胞核糖体结构和功能领域做出了非凡的贡献。
年10月，弗兰克教授与雅克·杜波谢、理查德·亨德森共同获得诺贝尔化学奖，以表彰他们在“冷冻电镜用于生物分子结构的高分辨率解析领域”做出的巨大贡献。
本期水木视界对约阿希姆·弗兰克教授的诺奖感言自传进行翻译，期望更多冷冻电镜领域的同僚们能够了解这位冷冻电镜之父的传奇过往。
原文："JoachimFrankBiographical"
CopyrightTheNobelFoundation
“Normally,mydogwakesmeupinthemorning.Buttoday,itwastheNobelPrize!”
—JoachimFrank
以下内容为弗兰克教授诺奖感言：
我于年9月12日出生在德国的魏德瑙镇。自年以来，魏德瑙镇一直是锡根市的一部分。锡根市拥有约10万左右的居民，位于北莱茵·威斯特法伦州的南端。它周围的山区被称为锡格兰，在过去的几个世纪，锡格兰的铁矿开采、加工和冶炼行业都欣欣向荣。作为传统技术，铁矿的开采可以一直追溯到两千年前的凯尔特人。不过，在采矿和加工业转移到发达的鲁尔区后，留给锡格兰的任务就只剩钢铁的冶炼了：锅炉、铁管、铁轨、铁桶和许多其他由铁和钢制成的部件。魏德瑙镇的地标是“富士山”，一个巨大的铁矿渣堆，与日本的名山形状一致。此外，锡根也是奥兰治·拿骚家族的所在地，他们是荷兰皇室的血脉。
作为画家彼得·保罗·鲁本斯的出生地，锡根市为此而自豪。然而，画家彼得在锡根出生的原因则是一场闹剧：他的父亲与有身孕的母亲从科隆出发，在乘坐马车途径锡根时被逮捕。三个城市，锡根、科隆和安特卫普都声称彼得是他们的儿子，城市之间的争执是锡根上城区喷泉的永恒主题：在雕塑上，三位母亲一同抱着婴儿彼得·保罗，并为之争吵。
彼得·保罗·鲁本斯(SirPeterPaulRubens)
年6月28日－年5月30日
比利时画家，巴洛克画派早期的代表人物
我的父亲威廉·弗兰克是锡根法院的一名法官。他于年出生在魏德瑙。不过，他并没有完成全部的法律学业：他被征召并参加了一战中的凡尔登战役，并由于受伤而失去了大半个左手。他的母亲，也就是我的奶奶，出身于当地的一个富裕家族：施莱芬鲍姆家族，他们经营着繁荣的钢铁企业。我的爷爷是一名高中教师，来自锡根郊区的一个乡村家庭。我的母亲夏洛特来自杰出的曼斯科普夫家族，该家族在锡根的渊源可以追溯到15世纪。在18世纪，曼斯科普夫家族的一个分支在法兰克福定居，并通过国际葡萄酒贸易获得了无尽的财富和声誉。而在19世纪初，他们则与歌德的家族关系密切。
左侧：年，与我的母亲夏洛特、父亲威廉、他的妹妹伊丽莎白、我的祖母阿玛莉-施莱芬鲍姆、哥哥赫尔穆特和妹妹英格伯格在一起。我的妹妹雷娜特将在四年后出生。
右侧：我父母在魏德瑙的家，恩格斯巴赫大街3号，年的建筑图纸显示了原来的两层楼的阳台。
我的母亲毕业于StiftKeppel高中，这是一所创办于13世纪的女子高中。婚后，她留在家里照顾她的四个孩子：我、我四岁的妹妹雷娜特和两个哥哥姐姐，英格伯格和赫尔穆特。我们的家宅大而庄严，是我的祖父母在年用红色双层玻璃砖建造的，极为坚固。它坐落于一块大小适中的土地上，与街道接壤的地方有一道锻铁栅栏。家宅的一楼和二楼有阳台，可以俯瞰后院。外侧的步道上铺满了装饰性碎石，并种着几颗黄杨树。
[战争年代]
锡根市，北莱茵·威斯特法伦州，德国
我出生于二战期间，而战争影响了我的整个童年。由于锡根市发达的钢铁制造业，它是盟军空袭的首要目标。在战争结束时，锡根市80%的建筑物都被夷为了平地。大约是我四岁的时候，一些邻居的房屋被陆续地炸毁了。在年2月的一次凌晨空袭中，我父母的房子也被炸毁。由于屋顶和上层被毁，其余的部分也因漏水而无法居住，我们不得不搬到北部20公里左右的希尔兴巴赫镇，在那里，我父亲的同事为我们提供了一套公寓。这套公寓位于威廉斯堡，它是一座18世纪依水而建的城堡，也是当时的法院大楼。在我的记忆中，我当时坐在城堡地下室的防空洞里，周围萦绕着婴儿的哭闹，飞机、空袭和无线电广播声，这些声音充斥着我青少年时期的噩梦。
战争结束后的那段时间尤为艰难。母亲常常会乘坐去往乡下的火车，用我们家中剩余的铁制品换取黄油、火腿、面包、面粉和鸡蛋。“天然的黄油”来之不易，母亲会把它们搅拌进人造黄油中，但并不会稀释太多，这样我们就能尽可能长地记住黄油真正的味道。我们也有一个很大的花园，种植了苹果树、梨树和樱桃树。有一段时间，我们为了制作糖浆而种植了一些甜菜，并种植了烟草来满足父亲的吸烟习惯。我们还会在后院养鸡，甚至一度在阳台下面养了一头小猪。这些花园中的时光，使我得以近距离欣赏大自然。
附近烧毁和倒塌的房屋瓦砾对我有一种错综复杂的吸引力，令我既恐惧又着迷。恐惧是对混乱和破坏的自然反应，特别是对一个孩子来说，这意味着危险无处不在。着迷的部分源自和其他同龄男孩一起在荒凉的土地上玩耍的经历，到处都堆满了砖头、罐子、扭曲的电线和塑料碎片。我们经常能发现老鼠窝，里面有一些尚处目盲的粉红色鼠崽。
[启蒙教育]
锡根市，北莱茵·威斯特法伦州，德国
我的小学就在家的街道对面，在那里我度过了四年的启蒙时光。八岁时，在还没有任何科学概念的时候，我在阳台下面的阴凉处开始了第一次实验，是天生的好奇心驱使我这样做的：我搭了一个架子，收集了一些利口酒的酒瓶，并用它们去装满我能得到的每一种液体：食用油、水、汽油，以及我长大一点之后得到的盐酸。凭着直觉，我把这些液体混合起来，把金属置入其中，并记录结果。我看着碳化钙在水中溶解，并着迷于激烈的反应和逸出气体的气味；我看着锌在盐酸中溶解并冒出气泡；我在一个与管子相连的金属容器中加热煤，因为我听说会有可燃的气体冒出来。
迈耶百科词典，这是我在被毁的老房子里发现的一套20卷百科全书，每卷约页。这套百科全书登陆了海量的学术文章、技术图纸、彩色照片和世界各地的地图。在我识字之后，它们陪伴我度过了整个童年和青少年时期。我花了几年的时间把它们都读完了。这套出版于年的百科全书信心满满地宣称：人类已经把世上所有的东西都研究得不能再透彻，不过，年恰好也是爱因斯坦发表光电效应论文的一年，那篇论文证明了能量的量化，也就是量子力学的前身。对于那套百科全书来说，这还是挺讽刺的。如今，这套书的内容并没有太多的参考价值了，却对我来说有相当的纪念价值：它们被我视作纪念那套祖宅的传家宝。
高中的科学课。在我身后右侧的两个身位处，他们是霍斯特·施密特·博金和乌尔里希·梅博尔德。在未来，他们将成为物理学家。照片由
弗里德海姆·施克提供。从五年级开始，我转学到了莫里茨文理中学，这是以奥兰治·拿骚家族一位著名公爵命名的学校，而我是小学班20名学生中仅有的4名升学者之一(在德国的体系中，文理中学将初中和高中合并到一起)。在那里，我对科学课，特别是物理课产生了强烈的兴趣。同时，我扩大了实验范围，并在阁楼开辟了第二个试验场地。在那里我会尝试修补一些小玩意，例如用废弃或邮购的零件组装收音机：哥哥曾向我演示过如何组装一个水晶收音机，而我很快就痴迷于这些精巧的小物件，不可自拔。之后，我制作了几个花哨的微型收音机，并装在肥皂盒里。我的大部分零花钱都用在了阀门、晶体管、电阻器和电容器的购买上，而阁楼上则充满了松香焊接时产生的"蒸汽"味。幸运的是，我在学校里结识了一个志同道合的朋友，他就住在街对面。
这时我应该补充一下，我的三个兄弟姐妹都在同一所文理中学上学。
在获得高中毕业证后，我的哥哥去攻读并完成了工程博士学位，成为了一名职业安全领域的公务员。我的两个姐姐都在高中二年级时转去了职业学校，进行理疗师的就职培训。在结婚并将几个孩子拉扯大之后，长姐完成了她中断的高中学业，并进入大学，获得了生物化学的博士学位。而二姐从理疗师转型成了一位艺术家，她制作了许多漂亮的被子，直至年她因癌症早逝。
[进入大学]
弗赖堡市，巴登·符腾堡州，德国
我始终觉得，在大学里我注定会选择物理专业。而我的父亲常常质疑这个选择，理由是这个专业并不能糊口。年，在完成高中学业后，我去了弗赖堡大学(UniversityinFreiburg)，并从省会城市搬到了僻静的小镇，镇上有一些大型哥特式教堂和许多迷人的中世纪建筑，这令我恍如隔世。我学习了微积分和线性代数，并学会如何去撰写严格的数学证明。此外，我也学习了数学物理学科的特殊函数和统计力学的课程。
我视在亚琛攻读工程博士的哥哥为榜样，加入了著名的弗莱堡大学Suevia兄弟会，结识了一些朋友。但后来，受60年代政治动荡的影响和启发，我逐渐意识到了那些扎根于德国学生组织中的民族主义和右翼思想，并退出了兄弟会。当时的弗莱堡大学校长，臭名昭著的马丁·海德格尔(MartinHeidegger)公开地支持元首。我曾经看到年迈但瘦小的海德格尔在大学门口发表公开演讲，这一举动在外界看来极为罕见。不过，他被一群学生簇拥着，我几乎看不到他。
由于在学士毕业考试中表现突出，我得到了德国学术研究基金会的提名：这是一项特殊的奖学金，并在日后极大地拓宽了我的视野，使我能了解其他学科和人文领域。通过组织科学前沿会议，基金会促进了跨学科的讨论。在年的一次会议上，我第一次了解到"中央教条"原则和DNA结构。也是在这里，我和神经生理学家沃尔夫·辛格(WolfSinger)初识，并开启了直至如今的长远友谊。我和辛格，以及志同道合的学生们一起成立了讨论小组，专注于当时的热门话题—“控制论”。
[硕士与博士]
慕尼黑市，巴伐利亚州，德国
为了得到硕士学位，我前去慕尼黑大学物理系做毕业论文相关的工作。论文项目与液态金上的电子后向散射有关，这个深奥的课题与当时新兴的高能电子束技术息息相关。我的导师恩斯特·金德(ErnstKinder)曾在早期使用电子显微镜做了一些工作：他发现蝴蝶翅膀的彩色图案源自于微小鳞片处于亚显微排列时产生的光干扰。现在，他的办公室里仍然保留着一台古老的电子显微镜。
这段经历让我对涉及电子显微镜的项目颇有好感。最终，我选择了沃尔特·霍普(WalterHoppe)作为我的博士导师，他是马克思普朗克蛋白质皮革研究所的X射线晶体学家，后转为电子显微镜专家，该研究所后来迁至马丁斯里德(Martinsried)，更名为马克思·普朗克生物化学研究所(MaxPlanckInstitutes)。霍普的研究内容是利用电子显微镜对生物分子进行三维成像的方法。我的论文则侧重于利用统计光学等领域的方法探索电子显微照片的特性。我在Optik杂志上发表的第一篇论文，研究了样品漂移对显微照片的光学衍射图案产生的影响，并以傅里叶理论解释了观察到的条纹。当霍普承认这是一项完全独立的工作，拒绝在作者栏签署他的名字时，我无比自豪。
我的首次计算机编程使用了ALGOL编程语言，每次编译和运行新写的程序之前，我都要花费20分钟左右步行到大学。后来我学会了用FORTRAN语言进行编程，所使用的设备是IBM，它建造于我们研究所的一个小地下室里，我有时会在那里工作到深夜。研究所的生活方式十分独特，具有明显的巴伐利亚色彩，只需要步行短短的几分钟，就能从研究所步行到举办啤酒节的大草坪。在蘑菇生长的季节，人们会在清晨组织采摘蘑菇的活动。三至四名学生会组成户外小组，与一位对蘑菇了如指掌的专家一同出发，带回许多真菌和鸡油菇。我们会用锥形瓶和烧瓶将它们煮熟，撒上盐，与巴伐利亚面包一同食用。我们也曾在图书馆中用一桶啤酒和大块的肉饼来庆祝论文的刊登。
当时的慕尼黑和现在一样，是一个文化活动丰富的城市，到处都是娱乐场所：每天去听一场古典音乐会算得上是日常了。我的一个古典音乐爱好者朋友也从弗莱堡搬到了慕尼黑，并邀请我去看了许多出色的演出。耳濡目染下，只靠几个开场音符，我就能辨认出许多古典交响曲。此外，慕尼黑歌剧院的票价平易近人，却总能提供宏大的体验。在那段时间里，我主要有两批朋友，一批是扬·格罗内博格等人，格罗内博格是一位具有乌托邦思想的大学辍学生，住在慕尼黑郊外的小屋里。另一批是沃尔夫·辛格等人，我通过学术研究基金会认识了他们，靠着沃尔夫·辛格的介绍，我认识了我的第一任妻子凯茜·恩格伯格。我们于年结婚，但这段婚姻只维持了不到10年。
年，一次在希尔谢洛镇的会议让我有机会认识了几个未来在这个领域举足轻重的人。这次研讨会是由瓦尔特·霍普和剑桥MRC分子生物学实验室的马克斯·佩鲁茨(MaxPerutz)共同组织的，佩鲁茨因在蛋白质X射线晶体学方面的开创性工作而闻名。在那里，我遇见了哈罗德·埃里克森、理查德·亨德森、肯·霍姆斯、休·赫胥黎和奈杰尔·昂温等人。在下午，与会者们可以自由地滑雪，而上午和晚上都保留给讲座和讨论，其形式类似于戈登会议。与我的论文相关的两篇德文论文后来发表在了会议记录中，载于BunsengesellschaftfürPhysikalischeChemie特刊。
[博士后阶段]
加利福尼亚州，美国
年初夏，在慕尼黑工业大学的论文答辩结束后，我获得了哈克尼斯奖学金(HarknessFellowship)，这使我可以前往美国两年，并自行决定进入哪些实验室。我选择了加州理工大学的喷气推进实验室(JPL)、加州大学伯克利的唐纳(Donner)实验室、和康奈尔大学。来自欧洲的我，却搬去了帕萨迪纳这样好莱坞一样的地方，那里有繁华的高速公路、紧靠棕榈树的小房子以及穿着网球鞋的小老太太，这种文化冲击难以言喻。
事后看来，这三个实验室都给了我未来方向的重要推动力。当时的JPL拥有世界上最好的图像处理设备，并开发了一个模块化的图像处理系统VICAR，我可以将自己的程序挂在上面。这个软件包后来成为我开发SPIDER系统的模型。在唐纳实验室，我和鲍勃·格莱泽的小组在一起，他专注于用电磁波进行结构研究的两个典型问题：样品的辐射损伤和对水合环境的需求。他和他的学生肯·泰勒(KenTaylor)已经在试验冷冻水化样品的制备，但当时雅克·杜博歇(JacquesDubochet)决定性的玻璃态冷冻技术还没有被发明出来。在康奈尔大学的本杰明·西格尔小组里，我认识了肯·唐宁(KenDowning)和威廉·戈德法布(WilliamGoldfarb)。后来我邀请威廉加入了我在奥尔巴尼的团队。
这时我需要提一句，年我在康奈尔大学时，我的儿子霍西亚·扬·弗兰克(HoseaJanFrank)出生了。
从美国回来后，我在年的冬天短暂地回到了马克思·普朗克研究所，研究电子显微镜的部分相干性理论。这项工作使我与世界级的电子光学专家彼得·霍克斯(PeterHawkes)有了接触。年，我加入了剑桥大学卡文迪许(Cavendish)实验室的弗农·埃利斯·科斯莱特(VernonEllisCosslett)小组，担任高级研究助理。
与我往来的人中有欧文·萨克斯顿(OwenSaxton)和彼得·霍克斯(PeterHawkes)。在卡文迪许的几年里，我进一步研究了部分相干理论，并找到了一种方法：通过计算同一区间的两个连续图像的互相关性来获得电子显微照片的信噪比。
这时，单颗粒平均和重建的设想在我的脑海中占据了一席之地：将电子剂量分散到网格上随机排列分子的多个"副本"中。年，我发表了一篇概念性的论文，提出了利用溶液中重复出现的分子来检索分子结构的想法。之后，我和欧文一起研究了生物分子的明场图像，并确定了它们在特定的条件下能够以足够的精度排列，从而使图像达到了一定的平均分辨率，这项研究的结果在年共同发表。自此我开始相信，单颗粒的方法即使在弱原生对比度的条件下(即蛋白质与水)也能发挥作用。
[Wadsworth研究中心]
奥尔巴尼市，纽约州，美国
年，我收到了纽约州Wadsworth研究中心的唐·帕森斯(DonParsons)发来的工作邀请。在那里，我最初的任务是细胞切片的断层重建，但我继续将研究重心放在了单颗粒方法的应用上。这两个领域的交叉使我意识到，我需要一个程序框架来确保后续程序设计的灵活性。因此，我开始对SPIDER进行开发，这是一个模块化的图像处理系统。随着单颗粒技术的发展，SPIDER成为向社会传播单颗粒技术的工具。它最初采取了买断制，只收取一次性费用，后来，它补充了创意共享许可，能够被免费地使用。
之后，过了很多年的时间，单颗粒概念才得以被证明有效，我们收到了生物分子的实际图像：由加州大学洛杉矶分校的大卫·艾森伯格(DavidEisenberg)提供的谷氨酰胺合成酶，戈廷根大学的彼得·辛斯海姆(PeterZingsheim)提供的乙酰胆碱受体，以及罗氏的米罗斯拉夫·布布里克(MiloslavBoublik)提供的核糖体。我的朋友马丁·凯塞尔也利用休假的时间帮助我进行了一些研究。在每个案例中，二维平均数的可重复性证明了这种方法是合理的。然而，电子显微镜业内仍有不少人持怀疑态度。转折点出现年，我和荷兰学生马林·范·海尔(MarinvanHeel)共同开发了一种解决异质性问题的方法。为了寻找具有挑战性的合适分子来尝试这项技术，我开始与法国图尔的让·拉米(JeanLamy)以及他的学生尼古拉斯·博伊赛(NicolasBoisset)合作，对各种节肢动物的血蓝蛋白进行成像。多年来我一直与尼古拉斯保持联系，直到他于年不幸去世。他的记录方式一丝不苟，并为单颗粒重建的原理制作了精美的幻灯片。
奥尔巴尼镇是纽约州的首府，却淹没在了纽约市的光辉下。该镇被美丽的乡村所包围，仅靠步行便能进入阿迪朗达克山脉。
搬到奥尔巴尼不仅让我得到了第一个独立职位，还释放了我在科学之外的领域进行创造性表达的冲动。我加入了一个艺术家集体，名为WORKSPACE，由杰西·加雷特(JacyGarrett)创立。当时，行为艺术正在全美范围内被重新定义，艺术家组织也如雨后春笋般出现。激浪派(FLUXUS)运动将大众的注意力引向了一些边缘的、偶然的东西。我并没有艺术相关的文凭，却凭借创造性的贡献成功地被WORKSPACE接纳了，这让我感觉不错。我参加了他们的邮件通信，并在几年内为一本名为PROP的小型文学杂志提供编辑工作。
70年代末，我的第一次婚姻结束了。离婚协议使我们拥有对儿子的共同监护权，这让我在城里呆了相当长的一段时间，并见证我的儿子霍西安成长为一个多才多艺的艺术家，他之后将名字中的扬(Jan)改名为了泽(Ze)。年，我在奥尔巴尼遇到了我现在的妻子卡罗尔·萨吉诺(CarolSaginaw)。卡罗尔最初在纽约州心理健康办公室工作，并在多年以来担任纽约州几个非营利组织的执行董事，从事心理健康工作，后来，她又从事了早期护理和教育工作。卡罗尔来自密歇根州的一个犹太家庭，她的许多家庭成员都在我祖国建造的毒气室中丧生了。尽管我们之间不同的背景带来了很多麻烦，但我们还是在年完婚，并幸福地生活到现在。在很大程度上，是卡罗尔的支持和对我的信任使我取得了胜利，并走到了我职业生涯的今天。
同时，我也开始尝试用英语写小说，当威廉·肯尼迪，以及后来的史蒂文·米尔豪斯和尤金·加伯对我的手稿给予非常积极的反馈时，我感到受宠若惊。对我来说，用第二语言去创造性地表达自己的想法是令人兴奋的，因为我当时并不确定未来是否会回到德国生活。在纽约州立大学的尤金·加伯(EugeneGarber)教授的小说写作课程结束后，他班上的学员，包括我在内，决定继续以作家小组的形式聚会。这个小组内的一些建设性批评，以及我后来加入的其他小组，都磨练了我的写作，帮助我认识到“自己的声音”。自此，写作成为了我生活的一部分。
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