七项基础研究悄然改变世界

科技日报记者 张佳欣

人类许多重大科学突破，都源自对未知最纯粹的好奇。那些曾被视为“无用”的基础研究，最终深刻改变了世界。

从温泉中的嗜热菌到古菌的基因序列，从花瓣的变白到陨石中的铅同位素……七项基础研究在数十年后催生了聚合酶链式反应（PCR）、基因编辑、RNA干扰、核磁共振成像（MRI）、液晶显示、减肥新药和全球禁铅汽油等成果。它们证明：真正推动人类进步的，是对科学未知的探索与坚守。

嗜热菌酶让生命复制成为可能

1966年夏天，美国印第安纳大学研究生哈德森·弗里兹在黄石公园取样时，从近乎沸腾的蘑菇泉中培养出一种能在高温下生存的细菌，在超过70℃的环境中依然活跃生长。3年后，他与导师托马斯·布罗克正式描述并命名了这种嗜热菌——水生热袍菌。1976年，科学家从这种细菌中分离出一种能在80℃下稳定工作的酶——Taq DNA聚合酶。

1983年，美国生化学家卡里·穆利斯利用这类耐高温酶，发明了PCR技术，让科学家能在短时间内将极微量的DNA扩增成上百万份拷贝。正是这项技术，使DNA检测、疾病诊断和刑侦鉴定成为现实。从新冠病毒检测到法医学DNA指纹识别，人类对生命密码的解读，都要追溯到那一勺取自温泉的水样。

自旋共振实验开启医学成像新篇章

MRI如今是医院中最重要的成像手段之一，能够无创生成高分辨率的人体内部图像。它的基础，却源于物理学家对原子核“自旋”性质的基础研究。

20世纪30年代，美国物理学家伊西多·拉比等人发现，原子核在磁场中会因自旋方向不同而出现能级差异，并能吸收特定频率的电磁波，这就是核磁共振现象。起初，这一研究只用于化学实验室分析分子结构。到了20世纪70年代，美国化学家保罗·劳特伯和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德将核磁共振原理拓展到活体组织成像，使得MRI技术诞生，他们也因此获得2003年诺贝尔生理学或医学奖。

今天，MRI不仅能揭示心脏和肿瘤的微小变化，还发展出功能性磁共振成像（fMRI），追踪大脑活动，为神经科学开辟了新途径。这一源自基础物理的探索，最终改变了现代医学诊断的方式。

液晶的发现得从一根胡萝卜说起

1888年，奥地利植物学家弗里德里希·雷尼策在胡萝卜根中提取出一种名为“胆固醇酯”的化合物，其中一种叫“苯甲酸胆固醇酯”的晶体表现出奇特现象。普通晶体加热时会同时失去固态和颜色，而这种晶体在145℃时失去固态，却要到178℃才失去其蓝色。雷尼策将样本寄给了德国物理学家奥托·雷曼。

雷曼通过显微镜发现，这种物质既能流动，又具有晶体的光学特性，是介于液态与固态之间的全新状态。他进行了系统化研究，并将其命名为液晶。最初，这一发现被认为“无用”。直到20世纪50年代，美国工程师重新研究液晶的光学特性，并在1968年制造出首块液晶显示屏，液晶技术才真正改变世界。如今，从电视、笔记本电脑到手机和平板，液晶显示几乎无处不在。

微生物防御机制引出基因编辑工具

CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）是一种能精准编辑基因组的工具，开辟了疾病治疗的新途径。

其发现可追溯至1989年。当时，西班牙微生物学家弗朗西斯科·莫希卡在研究“地中海富盐菌”时，发现基因组中存在一串规律重复的短序列，序列间夹杂着噬菌体的DNA片段。他推测这是一种微生物的免疫机制：细菌能保存病毒的基因信息，以便在再次感染时识别并摧毁入侵者。

后来，科学家证实这些序列及其相关蛋白共同构成CRISPR系统，可通过切割DNA实现防御。2012年，法国微生物学家埃玛纽埃勒·沙尔庞捷与美国生化学家珍妮弗·道德纳将其改造为可编程的“基因剪刀”，能够精准编辑DNA。由此，CRISPR技术诞生，打开了疾病治疗和基因育种等领域新篇章。

毒蜥激素成就全新减肥药

如今风靡全球的减肥和糖尿病药物，如司美格鲁肽，背后也有意想不到的生物学灵感。它的关键线索竟来自美国本土唯一的有毒蜥蜴——吉拉毒蜥。

1992年，科学家从其毒液中分离出一种名为“外源肽-4”的分子，与人体肠道激素胰高血糖素样肽-1（GLP-1）极为相似。GLP-1能刺激胰岛素分泌、抑制食欲，但在体内寿命极短。外源肽-4却能长时间激活GLP-1受体，稳定发挥作用。

2008年，加拿大医学家丹尼尔·德鲁克主持了基于此分子的Ⅲ期临床试验，药物名为“艾塞那肽”。结果显示，它不仅改善了糖尿病患者的血糖控制，还显著降低了体重。这一发现催生了一系列GLP-1受体激动剂药物，开启了全球减肥热潮。

花色突变揭示基因沉默机制

2024年3月，美国食品和药物管理局（FDA）批准了一种名为“菲图西兰”的新药，用于治疗血友病。它属于一种利用RNA干扰（RNAi）机制的新型药物家族。RNAi药物的诞生历经30年，其起点是一次偶然的植物实验。

1990年，美国科学家理查德·约根森想让矮牵牛花的紫色更浓，于是就为它增加了一份同样的色素基因。结果花瓣不仅没变深，反而变白。这一反常现象让科学家困惑多年。

1998年，美国生物医学家安德鲁·法尔和克雷格·梅洛揭示了其分子机制：双链RNA能触发一系列反应，使信使RNA（mRNA）被降解，从而阻止蛋白质合成，这就是RNA干扰（RNAi）。两人因此获得2006年诺贝尔生理学或医学奖。自此，一类全新的基因沉默药物诞生。

测地球年龄却意外净化了空气

20世纪50年代，地球化学家克莱尔·帕特森试图测定地球的年龄。他利用铀和钍的放射性衰变计算陨石中铅同位素的比例，却屡屡被空气中的铅污染干扰。为排除误差，他在加州理工学院建造了世界上第一间“超净实验室”。

最终，帕特森精确测定了陨石成分，推算出地球约有45.5亿年历史。然而，这一研究也让他意识到，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，他与地球化学家辰本光信共同发表论文，指出连最偏远的海洋都已被铅污染，而早期海洋样本的铅含量要低得多。这一发现引发了与铅行业的激烈冲突，但最终推动了全球禁铅汽油政策的实施。