7个改变世界的科学发现

在唐纳德·特朗普总统任内，美国政府正在大幅削减科学研究经费。美国国立卫生研究院（NIH）已削减近20亿美元已批准的科研资助，美国国家科学基金会（NSF）则终止了1400多项资助。总统甚至有更大的计划来削弱科学领域——其提出的2026财年预算将削减36%的非国防相关研发经费。

“他们在研究中途大规模取消了各种各样的研究项目，”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的约翰·霍尔德伦说，他在巴拉克·奥巴马总统的两届任期内均担任科学顾问，“现在他们打算通过削减预算来巩固这种做法。”

被取消和受威胁的研究既包括有明确应用目的（可能具有商业性质）的“应用研究”，也包括旨在拓展新知识的“基础研究”（或称“蓝天研究”）。

### 从MRI到奥兹匹克：为何必须保护基础研究的突破案例

基础研究容易因看似不切实际而遭嘲讽，但事实上它是经济增长的主要驱动力。“基础研究的投资回报——对社会的回报——非常高，通常每投入1美元就能带来数美元的回报，”霍尔德伦说。

美国的经费削减对基础研究打击尤其严重，因为政府历来是基础研究的主要支持者。霍尔德伦表示，私营部门绝不会对此类研究投入足够资金。“其回报周期太长，资助者获取回报的能力也太不确定，”他说，“这就是基础研究的资助本质上是政府责任的原因。”

虽然无法预估联邦资助减少会如何限制未来的发现，但科学家们列举了一系列源于基础研究并改变世界的成果，以下是几个例子。

#### 从温泉到DNA法医鉴定

1966年夏天，印第安纳大学本科生哈德逊·弗里兹住在黄石国家公园边缘的一间小屋里。他为微生物学家托马斯·布洛克工作，布洛克坚信某些微生物能在极高温度下生存。弗里兹每天躲避熊和它们造成的交通堵塞，前往温泉采集细菌样本。

1967年，托马斯·布洛克站在黄石国家公园的蘑菇泉边，正是在那里发现了能在高温液体中存活的细菌。1966年9月19日，弗里兹成功培养出蘑菇泉中的一种淡黄色微生物样本。在显微镜下，他看到了从近沸点液体中收集到的一系列细胞。“我当时看到的是前所未见的东西，”如今在加利福尼亚州拉霍亚桑福德·伯纳姆·普雷比斯医学发现研究所工作的弗里兹说，“回想当时在显微镜下的情景，我仍会起鸡皮疙瘩。”

三年后，弗里兹和布洛克描述了其中一种细菌，将其命名为水生栖热菌（*Thermus aquaticus*）。该细菌在70°C时生长最佳。1970年，他们从水生栖热菌中分离出一种酶，其在95°C时糖代谢活性最佳。那时弗里兹已去攻读研究生，研究重点转向了黏菌，但其他研究人员继续研究水生栖热菌。1976年，俄亥俄州辛辛那提大学的一个团队分离出另一种酶：能在80°C下合成新DNA的“DNA聚合酶”。

七年后，这种Taq聚合酶恰好满足了生物化学家凯利·穆利斯创造聚合酶链式反应（PCR）的需求——PCR是一种能快速将单个DNA片段复制成千上万份的方法。穆利斯需要高温将DNA分子断裂，因此也需要一种能在高温下工作的聚合酶，以避免反复升降温。

如今，PCR已成为不可或缺的工具，应用于医学（如器官捐献者匹配、癌症诊断）和DNA指纹鉴定（帮助警方识别凶手）等多个领域。

#### 磁共振成像（MRI）的起源

MRI是现代医学的支柱，能生成人体内部解剖结构的详细图像，例如显示心脏异常结构或肿瘤大小变化。功能性磁共振成像（fMRI）可追踪大脑血流变化，帮助研究人员发现大脑工作机制的基本原理。更重要的是，与许多其他成像方法不同，MRI是非侵入性的，无需使用放射性物质或电离辐射。

MRI起源于20世纪30年代对原子核及其内部基本粒子物理性质的研究。纽约锡拉丘兹莱莫恩学院的化学家卡门·朱恩塔说，这在当时是“相当深奥的研究”，“看不到也想不到任何应用前景”。

20世纪30年代，物理学家伊西多·拉比及其同事通过让原子核束穿过磁场来研究“自旋”（描述粒子角动量的性质）。质子和中子在磁场中时，其自旋方向不同，能量水平也略有差异。“他开发的共振方法是一种检测自旋在磁场中改变方向的手段，”朱恩塔说。凭借这项工作，拉比获得了1944年诺贝尔物理学奖。

核磁共振（NMR）最初在化学实验室得到应用：由于原子核对周围环境敏感，通过仔细测量磁共振，可以确定原子在大分子中的连接方式。从20世纪70年代起，它被开发成一种用于生物组织成像的工具。保罗·劳特布尔和彼得·曼斯菲尔德因在开发MRI方面的工作分享了2003年诺贝尔生理学或医学奖。

#### 块根蔬菜与平板电视

1888年初，故事始于布拉格。植物学家弗里德里希·赖尼策从胡萝卜根中提取出称为胆固醇酯的化学物质。其中一种物质——苯甲酸胆固醇酯晶体——表现出意外行为：普通晶体加热时会在同一温度下失去固体形态和颜色，而这种晶体在145°C时失去固体形态，却保留蓝颜色，直到178°C才变色。

其他研究人员此前也见过类似现象，但赖尼策意识到可能有一种重要的新现象在起作用。由于不确定如何解释，他于3月14日给当时德国亚琛的物理学家奥托·莱曼写了一封长信。“莱曼是继续和重现这一观察的完美同事，”法国尼斯蔚蓝海岸大学的米歇尔·米托夫说，因为莱曼制造了带加热台的显微镜，能实时观察晶体行为。两人数周内交换信件和样本，赖尼策于5月在维也纳的一次会议上展示了初步结果。

莱曼的关键发现是：当晶体失去固体形态时，仍保留晶体的某些特性，同时在其他方面又像液体——分子层面上，长分子保持有序排列（如晶体），但又能自由移动（如液体）。莱曼将其称为“液晶”。

几十年来，许多研究人员拒绝接受这一发现，因为它与物理和化学家对物质的分类体系（固体、液体、气体）相悖。液晶模糊了界限，接受它需要“极高的智力成本”，米托夫说。

20世纪上半叶，证据变得无可否认，但由于认为液晶无用，相关研究逐渐停滞。20世纪50年代末，美国化学家复兴了这一领域。1968年，工程师开发出首批基于液晶的平板屏幕，最终催生了平板电视。米托夫说，液晶的应用远不止屏幕，还包括相机、显微镜、智能材料、机器人技术甚至防伪技术。

#### 基因编辑的微小开端

“每次看到CRISPR的新应用，或CRISPR治愈了某人，我都激动不已，”西班牙阿利坎特大学的微生物学家弗朗西斯科·莫希卡说。

CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）是一种能精确编辑基因组的工具，为基础研究开辟了广阔前景，并为治愈镰状细胞病、免疫功能障碍和危及生命的代谢疾病等遗传疾病铺平了道路。埃马纽埃尔·沙尔庞捷和詹妮弗·杜德纳因开发这一工具而分享了2020年诺贝尔化学奖。

这一革命的发现始于1989年。当时莫希卡正在研究地中海盐盒菌（*Haloferax mediterranei* R-4）——一种在阿利坎特附近产盐池发现的古菌。他试图弄清楚这种微生物如何在高盐环境中生存，测序后惊讶地发现了定期重复的短片段，即后来的CRISPR。

随后，莫希卡发现许多不生活在盐环境中的微生物也有类似序列：“无论它们的作用是什么，都与环境特殊性无关。”关键线索是在重复片段间发现了噬菌体（感染细菌的病毒）基因组序列——他意识到这是细菌的“适应性免疫系统”：携带特定噬菌体序列的细菌不会被该噬菌体感染。

后来，其他人发现CRISPR通过切割特定位置的DNA发挥作用。杜德纳和沙尔庞捷在此基础上开发出基因编辑工具，CRISPR革命就此展开。

#### 受蜥蜴启发的减肥药物

奥兹匹克等减肥和糖尿病药物已成为“奇迹药物”：美国近5%的人用它们减肥，到2030年全球市场规模预计达1000亿美元。尽管促成这些药物的大部分工作是为了医疗应用，但一项关键发现来自对美国唯一有毒蜥蜴——吉拉毒蜥的研究。

故事核心是人体肠道产生的胰高血糖素样肽-1（GLP-1）：20世纪80年代，化学家证明GLP-1能刺激胰岛素分泌、降低血糖；1996年，研究人员发现它还能减少食物摄入。但GLP-1半衰期仅几分钟，无法直接作为药物。对吉拉毒蜥的研究为解决这一问题提供了关键助力，最终促成了长效GLP-1类药物的开发。