七項基礎研究悄然改變世界

科技日報記者 張佳欣

人類許多重大科學突破，都源自對未知最純粹的好奇。那些曾被視為“無用”的基礎研究，最終深刻改變了世界。

從温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……七項基礎研究在數十年後催生了聚合酶鏈式反應（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：真正推動人類進步的，是對科學未知的探索與堅守。

嗜熱菌酶讓生命複製成為可能

1966年夏天，美國印第安納大學研究生哈德森·弗里茲在黃石公園取樣時，從近乎沸騰的蘑菇泉中培養出一種能在高温下生存的細菌，在超過70℃的環境中依然活躍生長。3年後，他與導師托馬斯·布羅克正式描述並命名了這種嗜熱菌——水生熱袍菌。1976年，科學家從這種細菌中分離出一種能在80℃下穩定工作的酶——Taq DNA聚合酶。

1983年，美國生化學家卡里·穆利斯利用這類耐高温酶，發明了PCR技術，讓科學家能在短時間內將極微量的DNA擴增成上百萬份拷貝。正是這項技術，使DNA檢測、疾病診斷和刑偵鑑定成為現實。從新冠病毒檢測到法醫學DNA指紋識別，人類對生命密碼的解讀，都要追溯到那一勺取自温泉的水樣。

自旋共振實驗開啓醫學成像新篇章

MRI如今是醫院中最重要的成像手段之一，能夠無創生成高分辨率的人體內部圖像。它的基礎，卻源於物理學家對原子核“自旋”性質的基礎研究。

20世紀30年代，美國物理學家伊西多·拉比等人發現，原子核在磁場中會因自旋方向不同而出現能級差異，並能吸收特定頻率的電磁波，這就是核磁共振現象。起初，這一研究只用於化學實驗室分析分子結構。到了20世紀70年代，美國化學家保羅·勞特伯和英國物理學家彼得·曼斯菲爾德將核磁共振原理拓展到活體組織成像，使得MRI技術誕生，他們也因此獲得2003年諾貝爾生理學或醫學獎。

今天，MRI不僅能揭示心臟和腫瘤的微小變化，還發展出功能性磁共振成像（fMRI），追蹤大腦活動，為神經科學開闢了新途徑。這一源自基礎物理的探索，最終改變了現代醫學診斷的方式。

液晶的發現得從一根胡蘿蔔説起

1888年，奧地利植物學家弗里德里希·雷尼策在胡蘿蔔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”的晶體表現出奇特現象。普通晶體加熱時會同時失去固態和顏色，而這種晶體在145℃時失去固態，卻要到178℃才失去其藍色。雷尼策將樣本寄給了德國物理學家奧托·雷曼。

雷曼通過顯微鏡發現，這種物質既能流動，又具有晶體的光學特性，是介於液態與固態之間的全新狀態。他進行了系統化研究，並將其命名為液晶。最初，這一發現被認為“無用”。直到20世紀50年代，美國工程師重新研究液晶的光學特性，並在1968年製造出首塊液晶顯示屏，液晶技術才真正改變世界。如今，從電視、筆記本電腦到手機和平板，液晶顯示幾乎無處不在。

微生物防禦機制引出基因編輯工具

CRISPR（成簇規律間隔短迴文重複序列）是一種能精準編輯基因組的工具，開闢了疾病治療的新途徑。

其發現可追溯至1989年。當時，西班牙微生物學家弗朗西斯科·莫希卡在研究“地中海富鹽菌”時，發現基因組中存在一串規律重複的短序列，序列間夾雜着噬菌體的DNA片段。他推測這是一種微生物的免疫機制：細菌能保存病毒的基因信息，以便在再次感染時識別並摧毀入侵者。

後來，科學家證實這些序列及其相關蛋白共同構成CRISPR系統，可通過切割DNA實現防禦。2012年，法國微生物學家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷與美國生化學家珍妮弗·道德納將其改造為可編程的“基因剪刀”，能夠精準編輯DNA。由此，CRISPR技術誕生，打開了疾病治療和基因育種等領域新篇章。

毒蜥激素成就全新減肥藥

如今風靡全球的減肥和糖尿病藥物，如司美格魯肽，背後也有意想不到的生物學靈感。它的關鍵線索竟來自美國本土唯一的有毒蜥蜴——吉拉毒蜥。

1992年，科學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、抑制食慾，但在體內壽命極短。外源肽-4卻能長時間激活GLP-1受體，穩定發揮作用。

2008年，加拿大醫學家丹尼爾·德魯克主持了基於此分子的Ⅲ期臨牀試驗，藥物名為“艾塞那肽”。結果顯示，它不僅改善了糖尿病患者的血糖控制，還顯著降低了體重。這一發現催生了一系列GLP-1受體激動劑藥物，開啓了全球減肥熱潮。

花色突變揭示基因沉默機制

2024年3月，美國食品和藥物管理局（FDA）批准了一種名為“菲圖西蘭”的新藥，用於治療血友病。它屬於一種利用RNA干擾（RNAi）機制的新型藥物家族。RNAi藥物的誕生歷經30年，其起點是一次偶然的植物實驗。

1990年，美國科學家理查德·約根森想讓矮牽牛花的紫色更濃，於是就為它增加了一份同樣的色素基因。結果花瓣不僅沒變深，反而變白。這一反常現象讓科學家困惑多年。

1998年，美國生物醫學家安德魯·法爾和克雷格·梅洛揭示了其分子機制：雙鏈RNA能觸發一系列反應，使信使RNA（mRNA）被降解，從而阻止蛋白質合成，這就是RNA干擾（RNAi）。兩人因此獲得2006年諾貝爾生理學或醫學獎。自此，一類全新的基因沉默藥物誕生。

測地球年齡卻意外淨化了空氣

20世紀50年代，地球化學家克萊爾·帕特森試圖測定地球的年齡。他利用鈾和釷的放射性衰變計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，他在加州理工學院建造了世界上第一間“超淨實驗室”。

最終，帕特森精確測定了隕石成分，推算出地球約有45.5億年曆史。然而，這一研究也讓他意識到，現代空氣中的鉛含量遠高於自然水平，主要來源是含鉛汽油。1963年，他與地球化學家辰本光信共同發表論文，指出連最偏遠的海洋都已被鉛污染，而早期海洋樣本的鉛含量要低得多。這一發現引發了與鉛行業的激烈衝突，但最終推動了全球禁鉛汽油政策的實施。