在今天这个充满技术革新的时代，人们往往关注人工智能、基因编辑或新药研发的最新突破，却很少回望那些看似偶然却改变世界的发现。

事实上，许多塑造现代科学与医疗体系的关键成果，都起源于意料之外的实验与一代又一代科学家的执着探索和长期投入——从基因静默到RNA药物，从液晶技术到空气污染治理。

然而，美国等传统基础科学强国却正面临前所未有的挑战。政府大幅削减科研经费、取消已经批准的项目，使得许多基础研究——那些短期看似“无用”、但长期可能改变世界的探索——陷入困境。

在这样的背景下，世界顶级科学期刊《自然》（Nature）就回顾了七项改变世界的基础科学发现，提醒我们：基础研究的价值，往往超越眼前利益，它是科技进步和社会发展的根基。

本文有8小节，6000多字：

1. 科学被削弱的时代

3. 磁共振成像的诞生

4. 从胡萝卜根到液晶电视

5. 基因编辑的微小起点

6. 从毒蜥中获得的减肥灵感

7. 从花朵到药物：基因静默的启示

8. 古老陨石与清洁空气的启示

1.

科学被削弱的时代

在美国总统唐纳德·特朗普执政期间，科学研究正遭遇前所未有的削弱。美国国立卫生研究院撤销了近20亿美元（约合人民币141.98亿元）已获批准的科研资助，美国国家科学基金会也终止了超过1400项研究项目。而特朗普政府对科学的“削减计划”并未止步于此——其2026财年预算提案中，非国防领域的科研经费将被削减36%。

“他们在研究进行到一半时，就大规模取消了各种科研项目，”哈佛大学教授、前总统巴拉克·奥巴马的科学顾问约翰·霍尔德伦（John Holdren）表示，“而且他们还打算通过预算削减进一步巩固这种趋势。”

这些被取消或面临威胁的项目，既包括具有商业潜力的“应用研究”，也包括旨在探索未知的“基础研究”，又被称为“蓝天研究”。基础研究常被批评为“不切实际”，但事实上，它是推动经济增长的重要引擎。霍尔德伦指出：“基础研究的社会投资回报极高——每投入一美元，社会通常能获得数倍的回报。”

美国政府长期以来是基础研究的最大资助者，因此此轮削减将对基础科学造成特别沉重的打击。霍尔德伦强调，私人企业不可能承担这类长期且高风险的投入：“回报周期太长，资金提供方也难以确保自身能获得回报。这正是为什么基础科学研究的资助，本质上是政府的责任。”

科学家们无法确切预测联邦经费减少将怎样限制未来的发现，但历史上，许多颠覆世界的技术突破都源自看似“无用”的基础研究。以下是其中一些典型例子。

2.

1966年夏天，印第安纳大学本科生哈德森·弗里兹（Hudson Freeze）在黄石国家公园边缘的一间木屋中生活。他的导师、生物学家托马斯·布罗克（Thomas Brock）坚信，一些微生物能在远超常温的高温环境中生存。那年夏天，弗里兹几乎每天都要在避开熊群与拥挤游客的情况下，前往温泉采集细菌样本。

1967年，托马斯·布罗克站在黄石国家公园的蘑菇泉旁。人们在此地发现了能在高温液体中生存的细菌。（图源：Thomas Brock/USGS）

9月19日，弗里兹从蘑菇温泉成功培养出一种带黄色的微生物样本。透过显微镜，他看到了一群来自近乎沸腾泉水中的细胞。“我看到的是前所未见的生命形态，”如今任职于加利福尼亚州拉霍亚的桑福德·伯纳姆·普雷比斯医学发现研究所的弗里兹回忆道，“至今想起那一刻，我仍然会起鸡皮疙瘩。”

三年后，弗里兹与布罗克共同发表论文，描述了这种细菌——他们将其命名为水生栖热菌（Thermus aquaticus）。这种细菌最适宜的生长温度为70℃。1970年，他们又从该菌中分离出一种在95℃下表现最佳的糖代谢酶。当时弗里兹已离开布罗克实验室攻读研究生，并将研究重心转向黏菌，但其他学者继续研究这种极端微生物。1976年，辛辛那提大学团队又从中发现了另一种酶——能在80℃下合成DNA的“DNA聚合酶”。

七年后，这种被称为Taq聚合酶的酶成为生物化学家凯利·穆利斯（Kary Mullis）发明聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，简称PCR）的关键要素。聚合酶链式反应是一种能够快速复制DNA片段的革命性技术。由于这一过程需要高温分离DNA分子，因此也需要一种能耐高温的聚合酶来避免反复加热冷却的步骤。

3.

磁共振成像的诞生

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）是现代医学的基石之一。它能够清晰呈现人体内部结构，如心脏异常或肿瘤变化情况。其变体——功能性磁共振成像（fMRI），还能追踪大脑血流变化，揭示人类思维活动的神经机制。与许多需要放射性物质或电离辐射的成像手段不同，磁共振成像是非侵入性的，安全且高效。

磁共振成像的诞生，源自20世纪30年代对原子核及其内部基本粒子物理性质的探索。勒莫因学院化学家卡门·琼塔（Carmen Giunta）指出：“那时的研究内容非常晦涩，几乎没有任何实际应用可言。”

伊西多·拉比在20世纪30年代的研究最终促进了磁共振成像扫描技术的发展。（图源：United Nations, Public domain, via Wikimedia Commons）

关键一步来自对质子与中子的研究——它们构成了原子核，并具有一种称为“自旋”的性质，描述其角动量状态。20世纪30年代，物理学家伊西多·拉比（Isidor Rabi）及其同事通过让原子核束穿过磁场来研究这种自旋。质子和中子的自旋取向不同，会在磁场中表现出略微不同的能级。琼塔解释说：“拉比开发的‘共振法’能探测到这些自旋在磁场中方向改变的瞬间。”凭借这一发现，拉比在1944年获得诺贝尔物理学奖。

此后，“核磁共振”技术率先在化学实验室中应用。由于原子核会对周围环境极为敏感，研究者可通过测量共振信号来推断原子在大分子中的连接方式。到了20世纪70年代，这项技术被进一步发展，用于生物组织成像。保罗·劳特伯（Paul Lauterbur）与彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）因此在2003年共同获得诺贝尔生理学或医学奖，为现代磁共振成像奠定了基础。

4.

从胡萝卜根到液晶电视

故事始于1888年初的布拉格。植物学家弗里德里希·赖尼策尔（Friedrich Reinitzer）当时正在研究胡萝卜根部提取物中的化学成分。他从中分离出一类被称为胆固醇酯（cholesterol esters）的物质，其中一种——苯甲酸胆甾酯晶体（cholesteryl benzoate）——表现出了奇特的性质。

法国尼斯蔚蓝海岸大学科学家米歇尔·米托夫（Michel Mitov）解释说：“一般晶体在加热时，会同时失去固态结构和颜色，但这种晶体并非如此。它在145℃时失去固态，却仍保留蓝色，直到178℃才失色。”

虽然此前也有科学家观察到类似现象，但赖尼策尔意识到，这可能代表一种全新的自然现象。由于他无法解释，于是于3月14日写信给当时在德国亚琛的物理学家奥托·莱曼（Otto Lehmann），希望他能继续研究。米托夫指出：“莱曼是最理想的合作伙伴，因为他自制了一台带加热平台的显微镜，能实时观察晶体在不同温度下的变化。”

奥托·莱曼在液晶领域做出了关键发现，为现代电视和智能手机屏幕奠定了基础。（图源：Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons）

两人随后持续通信、交换样品数周，并在当年5月于维也纳的一次学术会议上公开了初步成果。莱曼发现，这些晶体在失去固态后，仍保留部分晶体特征，同时又具备液体的流动性。从分子结构看，它们由长链分子组成，这些分子既保持了晶体的有序取向，又能像液体一样自由移动。莱曼因此为这种物质命名——液晶（liquid crystal）。

起初，许多科学家拒绝接受这一概念，因为它颠覆了传统物质分类体系：固体、液体与气体三种状态泾渭分明。液晶的出现模糊了界限，米托夫形容其被接受的过程“付出了极高的思想代价”。

5.

基因编辑的微小起点

“每次看到CRISPR出现新的应用，或者有人因此被治愈疾病时，我的脑袋都像要炸开一样，”西班牙阿利坎特大学微生物学家弗朗西斯科·莫希卡（Francisco Mojica）笑着说。

CRISPR，全称为“成簇规律间隔短回文重复序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats），是一种能够精确编辑基因组的强大工具。它的出现为基础研究打开了新天地，也为治疗遗传性疾病铺平了道路——包括镰刀型细胞贫血、免疫缺陷及多种威胁生命的新陈代谢障碍。艾曼纽·沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）与詹妮弗·道德纳（Jennifer Doudna）凭借该技术在2020年共同获得诺贝尔化学奖。

而这场革命的开端，早在几十年前就已埋下伏笔。1989年，莫希卡还是博士生，他研究的是一种名为地中海盐生古菌（Haloferax mediterranei R-4）的单细胞微生物——这种微生物生活在阿利坎特附近的制盐池中。莫希卡想弄清这种古菌为何能在高盐环境中生存。他在分析其基因组的特定片段时，意外发现了若干以规则间隔重复的短序列。这些重复片段起初被不同研究团队以不同名称称呼，但最终统一被命名为“CRISPR”。

莫希卡最初猜测这些重复序列可能具有特定功能，但他后来笑称，这些设想“全都错得离谱”。

弗朗西斯科·莫希卡对微生物基因的研究为CRISPR基因编辑系统的开发奠定了基础。（图源：Manuel Castells, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons）

进一步研究后，他发现类似的序列存在于许多并非盐生环境的微生物中，这说明它们的作用与环境适应无关。

真正的突破来自一个意外线索——他发现这些重复序列之间夹杂着病毒基因片段，这些病毒被称为噬菌体（bacteriophage），会感染细菌。经过深入分析，莫希卡意识到，若某个细菌的基因组中含有特定噬菌体的片段，那么该细菌便能抵御这种病毒感染。“我们推断，这是一种获得性免疫系统，”他说，“当祖先细菌首次被感染时，会从病毒中‘截取’一段基因片段（称作‘间隔区’），此后其后代便具备抵抗相同病毒的能力。”

这在微生物界是前所未有的发现——此前从未有证据表明细菌或古菌具备类似免疫记忆的机制。莫希卡意识到，这一机制不仅具有基础科学意义，也可能用于对抗细菌感染。随后，研究人员发现CRISPR的关键机制在于——它能在DNA的特定位点进行切割。道德纳与沙尔庞捷进一步揭示了如何利用这一系统并重新编程，使其能对基因进行精准编辑。就这样，CRISPR革命正式拉开序幕。

6.

从毒蜥中获得的减肥灵感

减肥与糖尿病药物如Ozempic如今已成为全球医学热点。在美国，约有5%的人曾使用这类药物来减肥，而全球市场预计到2030年将达到1000亿美元（约合人民币7099.25亿元）规模。虽然这些药物的研发最初出于治疗糖尿病的目的，但其中一个关键灵感竟来自美国唯一的有毒蜥蜴——吉拉毒蜥（Gila monster）。

吉拉毒蜥肽在GLP-1药物的研发中发挥了作用。（图源：SearchNet Media, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons）

故事的核心是一种人体肠道分泌的分子：胰高血糖素样肽-1（Glucagon-like peptide-1，简称GLP-1）。20世纪80年代，化学家斯维特拉娜·莫伊索夫（Svetlana Mojsov）发现，GLP-1能促进胰岛素分泌，从而降低血糖水平。

加拿大多伦多大学的丹尼尔·德鲁克（Daniel Drucker）当时与莫伊索夫共同研究这一分子。“我们当时主要关注它在糖尿病治疗上的潜力，”德鲁克回忆说。“十年后的1996年，我们和其他团队发现GLP-1还能抑制食欲，减肥的潜力随之显现。”

然而，问题随之而来：GLP-1在人体内的半衰期仅几分钟，很快被分解，难以作为药物使用。于是，科学家转而研究其受体——即GLP-1在体内发挥作用的关键通道，希望能通过作用于受体来模拟其效果。

就在这时，吉拉毒蜥登上了科学舞台。这种蜥蜴生活在美国西南部及墨西哥部分地区，虽然有毒，却行动迟缓，对人类相对无害。1992年，美国纽约退伍军人事务医学中心让-皮埃尔·劳夫曼（Jean-Pierre Raufman）领导的团队从吉拉毒蜥的毒液中分离出一种名为外延肽-4（exendin-4）的多肽，其结构与GLP-1极为相似。

德鲁克随即展开研究，验证这种外延肽能否与GLP-1受体结合，并模拟其生理功能。结果显示，它的确能有效激活受体。2008年，德鲁克主持了以外延肽为基础的药物艾塞那肽（exenatide）三期临床试验，结果证实该药不仅能改善2型糖尿病患者的血糖控制，还能显著减轻体重。

此后，更多以GLP-1受体为靶点的药物陆续问世，掀起了一场席卷全球的减肥革命。

7.

从花朵到药物：基因静默的启示

今年3月，美国食品药品监督管理局批准了一种名为菲图西兰（fitusiran）的新药，用于治疗两种主要类型的血友病——一种由血液凝固功能异常引起的疾病，患者可能因为微小伤口而出现危及生命的大出血。菲图西兰的问世，标志着一类全新药物的成熟：它们利用RNA干扰技术（RNA interference，RNAi）通过阻断基因表达来发挥作用。

这一药物背后，是科学家们长达30多年的探索历程——起点源于一场偶然的植物实验。

对紫色矮牵牛花的研究对RNA干扰的发现起到了至关重要的作用。（图源：ForestWander, CC BY-SA 3.0 US, via Wikimedia Commons）

1990年，加利福尼亚奥克兰市的DNA植物技术公司科学家理查德·乔根森（Richard Jorgensen）和团队，在研究植物基因调控机制时，希望通过基因工程让牵牛花的紫色更加浓艳。为此，他们在植物中额外添加了一份控制花色的基因拷贝。出乎意料的是，花朵不仅没有变深，反而变成了白色。乔根森团队在论文中坦言：“导致这种现象的机制尚不清楚。”

这一离奇的结果引发了持续多年的研究。科学家们发现，这种“基因静默”现象可以通过向细胞中注射短小的RNA片段来触发。1998年，美国斯坦福大学的安德鲁·费尔（Andrew Fire）和马萨诸塞大学伍斯特分校的克雷格·梅洛（Craig Mello）揭示了其分子机制：双链RNA分子能够通过一系列复杂的反应过程，促使细胞销毁相应的信使RNA（mRNA）。而mRNA正是合成蛋白质的“模板”，它被破坏后，目标蛋白也无法被制造出来。

这项发现彻底改变了人类对基因表达调控的理解。2006年，费尔和梅洛因这一突破共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。自此，RNA干扰成为分子生物学的重要工具，并衍生出新一代基因靶向药物——包括如今能够控制血友病出血风险的菲图西兰。

8.

古老陨石与清洁空气的启示

20世纪50年代，地球化学家克莱尔·帕特森（Clair Patterson）遇到了一个“铅”的难题。这个问题的解决，最终挽救了全球数以百万计的生命。

当时，帕特森致力于开发一种新方法，通过测量铀和钍的放射性衰变来推算岩石的年龄。随着时间流逝，这些元素会裂变成较小的原子，并最终衰变为不同同位素的铅。通过测量各种铅同位素的比例，科学家便能计算出岩石形成的年代。

克莱尔·帕特森通过对古代岩石进行年代测定，帮助确定了环境中铅污染的来源。（图源：Courtesy of Caltech）

但实验的最大障碍是铅污染。帕特森所在的加州理工学院位于帕萨迪纳，当地空气中含有大量污染物。密歇根大学环境健康学者杰罗姆·尼里亚古（Jerome Nriagu）解释道：“加州是一个盆地结构，这使污染物容易聚集。”为了获得纯净样本，帕特森不得不自行建造一间“超净实验室”，过滤进入室内的每一缕空气。

最终，他成功测定了亚利桑那州“陨石坑”成因——峡谷迪亚布罗陨石——以及其他多块陨石的精确年龄：45.5亿年。由于人们普遍认为地球与陨石同时形成，这一结果也锁定了地球的真实年龄。帕特森于1953年在学术会议上首次公布成果，并于1956年正式发表论文。

然而，在解开地球年龄这一重大谜题后，帕特森注意到另一个更现实的问题——空气中铅的来源。

他怀疑元凶是含铅汽油。经过多年研究，帕特森与地球化学家辰本光信（Mitsunobu Tatsumoto）在1963年的研究中证实：铅污染已蔓延至最偏远的海洋区域，而早期海洋沉积物中铅含量明显更低。

这一发现引发了与铅工业界的激烈对抗。铅添加剂制造商强烈否认污染危害，企图压制研究成果。然而，随着科学证据的积累，全球逐步禁止了含铅汽油的使用。这一公共卫生行动被认为每年挽救了超过一百万人的生命，并带来数万亿美元的社会经济效益。

从测定地球的诞生年代，到揭露现代污染的源头，帕特森的故事展示了科学研究如何在意想不到的方向上改变世界。🅠