默默改变世界的7项基础研究

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人类许多伟大的科学进步都是对未知事物纯粹好奇的结果。曾经被认为“无用”的基础研究最终给世界带来了巨大的改变。从温泉中的嗜热菌到古细菌中的基因序列，从漂白的花瓣到陨石中的铅同位素……几十年后，七项基础研究催生了聚合酶链式反应（PCR）、基因编辑、RNA干扰、磁共振成像（MRI）、液晶显示器、新型减肥药物、全球含铅汽油禁令等等。他们证明，人类进步的真正动力是不断探索和对科学未知的探索。嗜热酶使生命得以繁殖。 1966 年夏天，印第安纳大学研究生哈德森·弗里茨 (Hudson Fritz)在黄石公园采样时，从接近沸腾的真菌泉中培养了细菌，这些细菌可以在高温下生存，并在 70 摄氏度以上的温度下活跃生长。三年后，他和他的导师正式描述了这种嗜热细菌，并将其命名为Thermotoga Aquaticus。 1976 年，科学家从这种细菌中分离出了一种酶 Taq DNA 聚合酶，该酶在 80°C 下稳定且具有功能。 1983年，美国生物化学家Cary Mullis利用这种高温酶发明了PCR技术。这使得科学家能够在短时间内将少量 DNA 扩增为数百万个拷贝。正是这种技术可以进行 DNA 检测、疾病诊断以及犯罪调查和识别。冠状病毒的检测已从 ADN 的数据中提取出来，所有对人类生活正常情况的解释都与热源外的水有关。自旋共振实验开启了医学图像处理的新篇章。磁力共振实际上是医院中最重要的图像模式的实际体现，并促进了在人类内部的高级解决方案中形成非侵入性图像的生产。其基础是基于物理学家对原子核“自旋”特性的基础研究。在 1930 年，伊西多尔·拉比 (Isidore Rabi) 和他的同事们讨论了原子核的问题，并在磁场中与能量的变化进行了对比。特殊频率电磁学。这就是核磁共振现象。最初，这项研究仅用于化学实验室分析分子结构。 20 世纪 70 年代，美国化学家 Paul Lauterbur 和英国物理学家 Peter Mansfield 将核磁共振原理扩展到活体组织成像，导致 MRI 技术的诞生并于 2003 年获得诺贝尔生理学或医学奖。如今，MRI 不仅可以揭示心脏和肿瘤的微小变化，功能性磁共振成像 (fMRI) 也已发展到追踪大脑活动，为神经科学开辟了新途径。这种基于基础物理学的探索最终改变了现代医学诊断的方式。液晶的发现始于胡萝卜。 1888年，奥地利植物学家Friedrich Reinitzer从胡萝卜根中提取了一种名为“胆固醇酯”的化合物。其中一种晶体“苯甲酸胆固醇酯”表现出一种奇怪的现象。普通晶体在加热时会失去固态和颜色。玻璃在 145°C 时失去固态，但直到 178°C 才会失去蓝色。伦尼策将样本寄给了德国物理学家奥托·莱曼。黎曼通过显微镜发现这种材料是流体并且具有晶体的光学特性。这是一种新的状态液体和固体。他进行了系统的研究，并将其称为液晶。最初，这一发现被认为“毫无用处”。直到20世纪50年代美国工程师重新审视液晶的光学特性，并于1968年生产出第一台液晶显示器时，液晶技术才真正改变了世界。如今，液晶显示屏几乎无处不在，从电视、笔记本电脑到手机和平板电脑。微生物防御机制催生了基因编辑工具 CRISPR（成簇规则间隔短回文重复）。该工具可以精确编辑基因组并开辟疾病的新治疗方法。它的发现可以追溯到1989年。当时，西班牙微生物学家Francisco Mojica正在研究“地中海嗜盐菌”，这种微生物的基因组中有一系列定期重复的短序列。他们发现，噬菌体 DNA 片段散布在行与行之间。他推测这是一种微生物免疫系统。细菌可以储存病毒的遗传信息，因此即使入侵者再次感染，它们也能识别并消灭它们。随后科学家证实这些序列及其相关蛋白共同构成了CRISPR系统，可以实现保护离子切割DNA。 2012年，法国微生物学家Emmanuel Charpentier和美国生物化学家Jennifer Downer将其变成了一把可编程的“基因剪刀”，可以精确编辑DNA。由此，CRISPR技术诞生，开启了疾病治疗和遗传改良领域的新篇章。罗勒激素创造新的减肥药物即使是当今流行的糖尿病和减肥药物，如索马鲁肽，其背后也有意想不到的生物学灵感。这个关键线索实际上来自吉拉毒蜥，美国唯一的毒蜥蜴。 1992年，科学家从其毒液中分离出一种名为“外源肽4”的分子。它与人体肠道激素胰高血糖素非常相似肽-1 (GLP-1)。 GLP-1可以刺激胰岛素分泌并抑制食欲，但它在体内的寿命很短。 Peptide-4 exgen可长时间激活GLP-1受体，且作用稳定。 2008年，加拿大医学家丹尼尔·德鲁克主持了基于该分子的III期临床试验，该药物被命名为艾塞那肽。结果表明，它不仅改善了糖尿病患者的血糖控制，而且还显着减轻了体重。这一发现催生了一系列GLP-1受体激动剂，并掀起了全球减肥热潮。花色突变揭示了基因沉默机制。 2024年3月，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了一种名为fituxylan的新药用于治疗血友病。它属于使用 RNA 干扰 (RNAi) 机制的新药物家族。 RNAi 药物花了 30 年才出现，但它们的起点是一次对植物的偶然实验。 1990年，美国科学家理查德·乔根森想要制造出佩图尼亚斯更加紫色，添加了相同色素基因的副本。结果花瓣不但没有变暗，反而变白了。这种不寻常的现象多年来一直困扰着科学家。 1998年，美国生物医学科学家安德鲁·法尔和克雷格·梅洛揭示了这一分子机制。双链 RNA 会引发一系列分解信使 RNA (mRNA) 的反应，从而干扰蛋白质合成。这就是 RNA 干扰 (RNAi)。两人于2006年获得诺贝尔生理学或医学奖。从此，一类新的基因抑制药物出现了。测量地球年龄意外地消除了误会 20 世纪 50 年代，地球化学家克莱尔·帕特森 (Clare Patterson) 开始测定地球的年龄。他利用铀和钍的放射性衰变来计算陨石中铅同位素的比例，但屡次受到大气铅污染的阻碍。为了消除错误，他在加州理工学院建立了世界上第一个“超净实验室”技术。最后，帕特森准确测定了陨石的成分，计算出地球的年龄约为45.5亿年。然而，研究也认识到现代空气中的铅含量远高于自然水平，主要来源是含铅汽油。 1963年，他与地球化学家Mitsunobu Ryumoto合作发表了一篇论文，表明即使是最偏远的海洋也受到铅污染，并且早期海洋样本中的铅浓度要低得多。这一发现引发了与铅行业的激烈冲突，但最终导致全球范围内禁止使用含铅汽油。 （记者张嘉欣）