人類許多重大科學(xué)突破，都源自對(duì)未知最純粹的好奇。那些曾被視為“無(wú)用”的基礎(chǔ)研究，最終深刻改變了世界。
從溫泉中的嗜熱菌到古菌的基因序列，從花瓣的變白到隕石中的鉛同位素……七項(xiàng)基礎(chǔ)研究在數(shù)十年后催生了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）、基因編輯、RNA干擾、核磁共振成像（MRI）、液晶顯示、減肥新藥和全球禁鉛汽油等成果。它們證明：真正推動(dòng)人類進(jìn)步的，是對(duì)科學(xué)未知的探索與堅(jiān)守。
起初看似無(wú)用的研究最終改變了世界。圖片來(lái)源：英國(guó)《自然》網(wǎng)站
嗜熱菌酶讓生命復(fù)制成為可能
1966年夏天，美國(guó)印第安納大學(xué)研究生哈德森·弗里茲在黃石公園取樣時(shí)，從近乎沸騰的蘑菇泉中培養(yǎng)出一種能在高溫下生存的細(xì)菌，在超過(guò)70℃的環(huán)境中依然活躍生長(zhǎng)。3年后，他與導(dǎo)師正式描述并命名了這種嗜熱菌——水生熱袍菌。1976年，科學(xué)家從這種細(xì)菌中分離出一種能在80℃下穩(wěn)定工作的酶——Taq DNA聚合酶。
1983年，美國(guó)生化學(xué)家卡里·穆利斯利用這類耐高溫酶，發(fā)明了PCR技術(shù)，讓科學(xué)家能在短時(shí)間內(nèi)將極微量的DNA擴(kuò)增成上百萬(wàn)份拷貝。正是這項(xiàng)技術(shù)，使DNA檢測(cè)、疾病診斷和刑偵鑒定成為現(xiàn)實(shí)。從新冠病毒檢測(cè)到法醫(yī)學(xué)DNA指紋識(shí)別，人類對(duì)生命密碼的解讀，都要追溯到那一勺取自溫泉的水樣。
自旋共振實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟醫(yī)學(xué)成像新篇章
MRI如今是醫(yī)院中最重要的成像手段之一，能夠無(wú)創(chuàng)生成高分辨率的人體內(nèi)部圖像。它的基礎(chǔ)，卻源于物理學(xué)家對(duì)原子核“自旋”性質(zhì)的基礎(chǔ)研究。
20世紀(jì)30年代，美國(guó)物理學(xué)家伊西多·拉比等人發(fā)現(xiàn)，原子核在磁場(chǎng)中會(huì)因自旋方向不同而出現(xiàn)能級(jí)差異，并能吸收特定頻率的電磁波，這就是核磁共振現(xiàn)象。起初，這一研究只用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室分析分子結(jié)構(gòu)。到了20世紀(jì)70年代，美國(guó)化學(xué)家保羅·勞特伯和英國(guó)物理學(xué)家彼得·曼斯菲爾德將核磁共振原理拓展到活體組織成像，使得MRI技術(shù)誕生，他們也因此獲得2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
今天，MRI不僅能揭示心臟和腫瘤的微小變化，還發(fā)展出功能性磁共振成像（fMRI），追蹤大腦活動(dòng)，為神經(jīng)科學(xué)開(kāi)辟了新途徑。這一源自基礎(chǔ)物理的探索，最終改變了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷的方式。
液晶的發(fā)現(xiàn)得從一根胡蘿卜說(shuō)起
1888年，奧地利植物學(xué)家弗里德里希·雷尼策在胡蘿卜根中提取出一種名為“膽固醇酯”的化合物，其中一種叫“苯甲酸膽固醇酯”的晶體表現(xiàn)出奇特現(xiàn)象。普通晶體加熱時(shí)會(huì)同時(shí)失去固態(tài)和顏色，而這種晶體在145℃時(shí)失去固態(tài)，卻要到178℃才失去其藍(lán)色。雷尼策將樣本寄給了德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W托·雷曼。
雷曼通過(guò)顯微鏡發(fā)現(xiàn)，這種物質(zhì)既能流動(dòng)，又具有晶體的光學(xué)特性，是介于液態(tài)與固態(tài)之間的全新?tīng)顟B(tài)。他進(jìn)行了系統(tǒng)化研究，并將其命名為液晶。最初，這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為“無(wú)用”。直到20世紀(jì)50年代，美國(guó)工程師重新研究液晶的光學(xué)特性，并在1968年制造出首塊液晶顯示屏，液晶技術(shù)才真正改變世界。如今，從電視、筆記本電腦到手機(jī)和平板，液晶顯示幾乎無(wú)處不在。
微生物防御機(jī)制引出基因編輯工具
CRISPR（成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列）是一種能精準(zhǔn)編輯基因組的工具，開(kāi)辟了疾病治療的新途徑。
其發(fā)現(xiàn)可追溯至1989年。當(dāng)時(shí)，西班牙微生物學(xué)家弗朗西斯科·莫希卡在研究“地中海富鹽菌”時(shí)，發(fā)現(xiàn)基因組中存在一串規(guī)律重復(fù)的短序列，序列間夾雜著噬菌體的DNA片段。他推測(cè)這是一種微生物的免疫機(jī)制：細(xì)菌能保存病毒的基因信息，以便在再次感染時(shí)識(shí)別并摧毀入侵者。
后來(lái)，科學(xué)家證實(shí)這些序列及其相關(guān)蛋白共同構(gòu)成CRISPR系統(tǒng)，可通過(guò)切割DNA實(shí)現(xiàn)防御。2012年，法國(guó)微生物學(xué)家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷與美國(guó)生化學(xué)家珍妮弗·道德納將其改造為可編程的“基因剪刀”，能夠精準(zhǔn)編輯DNA。由此，CRISPR技術(shù)誕生，打開(kāi)了疾病治療和基因育種等領(lǐng)域新篇章。
毒蜥激素成就全新減肥藥
如今風(fēng)靡全球的減肥和糖尿病藥物，如司美格魯肽，背后也有意想不到的生物學(xué)靈感。它的關(guān)鍵線索竟來(lái)自美國(guó)本土唯一的有毒蜥蜴——吉拉毒蜥。
1992年，科學(xué)家從其毒液中分離出一種名為“外源肽-4”的分子，與人體腸道激素胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）極為相似。GLP-1能刺激胰島素分泌、抑制食欲，但在體內(nèi)壽命極短。外源肽-4卻能長(zhǎng)時(shí)間激活GLP-1受體，穩(wěn)定發(fā)揮作用。
2008年，加拿大醫(yī)學(xué)家丹尼爾·德魯克主持了基于此分子的Ⅲ期臨床試驗(yàn)，藥物名為“艾塞那肽”。結(jié)果顯示，它不僅改善了糖尿病患者的血糖控制，還顯著降低了體重。這一發(fā)現(xiàn)催生了一系列GLP-1受體激動(dòng)劑藥物，開(kāi)啟了全球減肥熱潮。
花色突變揭示基因沉默機(jī)制
2024年3月，美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)了一種名為“菲圖西蘭”的新藥，用于治療血友病。它屬于一種利用RNA干擾（RNAi）機(jī)制的新型藥物家族。RNAi藥物的誕生歷經(jīng)30年，其起點(diǎn)是一次偶然的植物實(shí)驗(yàn)。
1990年，美國(guó)科學(xué)家理查德·約根森想讓矮牽牛花的紫色更濃，于是就為它增加了一份同樣的色素基因。結(jié)果花瓣不僅沒(méi)變深，反而變白。這一反常現(xiàn)象讓科學(xué)家困惑多年。
1998年，美國(guó)生物醫(yī)學(xué)家安德魯·法爾和克雷格·梅洛揭示了其分子機(jī)制：雙鏈RNA能觸發(fā)一系列反應(yīng)，使信使RNA（mRNA）被降解，從而阻止蛋白質(zhì)合成，這就是RNA干擾（RNAi）。兩人因此獲得2006年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。自此，一類全新的基因沉默藥物誕生。
測(cè)地球年齡卻意外凈化了空氣
20世紀(jì)50年代，地球化學(xué)家克萊爾·帕特森試圖測(cè)定地球的年齡。他利用鈾和釷的放射性衰變計(jì)算隕石中鉛同位素的比例，卻屢屢被空氣中的鉛污染干擾。為排除誤差，他在加州理工學(xué)院建造了世界上第一間“超凈實(shí)驗(yàn)室”。
最終，帕特森精確測(cè)定了隕石成分，推算出地球約有45.5億年歷史。然而，這一研究也讓他意識(shí)到，現(xiàn)代空氣中的鉛含量遠(yuǎn)高于自然水平，主要來(lái)源是含鉛汽油。1963年，他與地球化學(xué)家辰本光信共同發(fā)表論文，指出連最偏遠(yuǎn)的海洋都已被鉛污染，而早期海洋樣本的鉛含量要低得多。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了與鉛行業(yè)的激烈沖突，但最終推動(dòng)了全球禁鉛汽油政策的實(shí)施。（記者 張佳欣）
