10个改变世界的科学实验.docx

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10个改变世界的科学实验

10个改变世界的科学实验

10个改变世界的科学实验

2007年，美国共耗资3680亿美元用于科学研究和技术开发。

在这块巨大的馅饼中，将近18%的资金投入了基础研究——也就是并非用于解决工业问题，而是完全出于科学家的好奇心或兴趣而开展的研究。

另有22%投入到实用研究——旨在解决实际问题。

既然每年都有众多科学家进行着不计其数的试验，那么大多数研究没有得到广泛赞誉也就不足为奇了。

但几乎每隔一段时间，就会有一项试验不仅能吸引科学家们的注意，也会让普通人倍加关注。

这可能是因为它改变了人类对自然界的根本认识，或是提供了针对某种顽疾的解决之道。

您也许会认为，这种改变世界的实验肯定非常复杂。

对于某些实验来说，您这种观点一点没错。

但是，优美而简洁的试验也多如繁星。

在本文中，我们将根据自己的浅薄见解，为您列出十项最伟大的试验。

它们是根据主要学科——生物、化学、物理和心理学——组织整理出来的，时间跨度长达200年。

在几个例子中，我们将两项密切相关的试验放在了一起。

这是为了证明科学研究是需要合作努力才能完成的。

1.达尔文的花

大多数人都听说过达尔文乘坐小猎犬号完成的那次著名的南美之旅。

他在加拉帕戈斯群岛上进行了一些最重要的科学考察。

那里有20个左右的岛屿，每座岛上都生长着独特的兰花亚种，完全适应了所在岛屿的特殊环境。

但是很少有人知道达尔文回到英国后所做的试验。

其中有些就与兰花有关。

达尔文在种植和研究了一些本土兰花品种后发现，兰花的复杂花形正是为了吸引特殊品种的昆虫来为自己授粉。

这些昆虫的外形都与某一亚种的兰花非常匹配。

这就如同加拉帕戈斯雀的鸟喙，每种形态都与特定的食物来源相适应。

以伯利恒兰为例，这种花的花蜜存储在30厘米深花朵底部。

当达尔文看到花的结构时，便预测有一种与之匹配的动物存在。

果然，在1903年，科学家发现長喙天蛾的长喙，特别适合伸到兰花的花蜜管底部。

达尔文以收集到的兰花和授粉昆虫的资料巩固自然选择的理论基础。

他认为，异花授粉所产生的兰花比自花授粉产生的兰花更适合生存，同系繁殖的形式将降低遗传差异性，最终直接影响该物种的生存。

因此，三年后，他首次提出了“物种起源”的自然选择理论。

达尔文只用几个兰花试验便支撑起了这个理论的现代框架。

2.破译DNA

詹姆斯•沃森和弗朗西斯•克里克因解码了DNA的奥秘而广受赞誉，但他们的发现很大程度依赖于他人的研究成果，比如阿尔弗雷德•赫尔斯和马太•蔡斯。

马太•蔡斯在1952年进行了一项著名试验，确认了DNA分子是遗传的原因。

赫尔斯和蔡斯对一种叫做噬菌体的病毒进行了合作研究。

这种病毒由一个包裹着DNA链的蛋白质外壳构成，可以感染细胞，使其产生更多病毒，最后杀死细胞将这些新生病毒释放出去。

他们两人了解这一过程，但并不知道是哪种成分——蛋白质还是DNA——起主要作用，直到最后才通过那开创性的试验发现了DNA核酸的秘密。

在赫尔斯和蔡斯的试验之后，罗莎琳德•富兰克林等科学家对DNA进行了重点研究，并迅速破解DNA分子结构。

富兰克林采用X射线衍射技术进行研究，也就是用X射线照射提纯DNA的纤维。

当X射线与DNA分子发生交互反应时，X射线将出现衍射或弯曲，偏离其原始路线。

根据所分析的分子，经过衍射的X射线会在底片上形成与之对应的独特图案。

富兰克林的著名DNA图片显示出X形图案，这也是螺旋状分子结构的标志。

沃森和克里克还通过富兰克林的图片来测定螺旋宽度。

结果表明DNA分子由两部分组成，也就是我们今天所公认的DNA分子双螺旋结构。

3.首次疫苗接种

直到20世纪晚期，天花才在世界范围根除。

在此之前，天花一直是严重的健康威胁。

在18世纪，瑞士和法国的新生儿中有十分之一死于这种由天花引发的疾病[资料来源：

世界卫生组织]。

当时唯一的“解药”是感染过天花而幸存下来的人。

许多人给自己注射天花病人创口渗出的体液，希望通过感染轻度天花获得免疫力。

不幸的是，不少人死于这种危险的自我接种尝试。

英国医生爱德华•詹纳着手研究天花，并找到了一种可行的治疗措施。

他的实验源于对家乡挤奶女工的观察。

这些女工经常被牛痘感染，那是一种与天花类似，却不致命的疾病。

根据他的观察，得过牛痘的挤奶女工似乎不会被天花病毒传染。

因此，在1796年，詹纳决定尝试有牛痘感染人体，看是否会产生天花免疫性。

他的实验对象是一名叫作詹姆斯•菲普斯的小男孩。

詹纳在菲普斯的胳膊上划了一道口子，然后从当地挤奶女工莎拉•尼尔美斯身上得了牛痘液体注入伤口中。

菲普斯感染牛痘，但很快恢复健康。

四十八天之后，詹纳让男孩接触天花病毒，却发现小男孩已经有了免疫力。

如今，科学家们知道，牛痘病毒和天花病毒非常相似，以至与人体体免疫系统无法区分它们。

换句话说，那些本来针对牛痘病毒的抗体也会攻击和消灭天花病毒。

这种免疫系统的小小失误却拯救了无数人的生命。

4.原子核存在的铁证

1908年，物理学家欧内斯特•卢瑟福因其放射性研究获得了诺贝尔奖。

他随即开始进行一些实验，意图确定原子的结构。

这些实验基于他此前的研究。

卢瑟福知道放射性射线有两种类型——α射线和β射线。

卢瑟福和汉斯•盖革确定出α射线是正电粒子流。

当他将α射线照射在屏幕上时，会形成一个清晰艳丽的图像。

但是如果他在α射线源和屏幕之间放置一个云母薄板，由此产生的图像将变成向四周散射。

显然，云母薄板对一些α射线粒子形成了散射。

但这是怎么形成的？

为什么？

1911年，他在α射线和屏幕之间放置了一张只有一两个原子厚的金箔片，在α射线源旁又放了第二个屏幕，想看看是否有粒子被反射回来。

在薄片后面的屏幕上，卢瑟福看到了与上次相同的散射图谱。

而在薄片前面的屏幕上，卢瑟福惊奇地发现，少数α粒子被反弹回来了。

卢瑟福的结论是，是金原子核心的强大正电荷让α粒子反弹回去的。

他把这个强大的正电荷称为“原子核”，并称原子核相比原子整体一定非常小，否则会有更多粒子被反弹回去。

如今，我们一提到原子仍然会想到卢瑟福所做的努力：

仅含有几个电子的广阔空间中央，便是那带正电荷的微小原子核。

5.X射线前沿研究

我们一说到X射线衍射实验，就会提起罗莎琳德•富兰克林。

但她的研究很大程度上要归功于多萝西•克劳福特•霍奇金，历史上获得过诺贝尔化学奖的三位女性之一。

1945年，霍奇金被认为是世界上最早的X射线衍射技术先驱，因此对于她最终揭开医药界最重要的一种化学药品——青霉素的结构这一事迹，我们并不感到惊奇。

在1928年，亚历山大•弗莱明就发现了这种能够杀死细菌的物质。

科学家们花费了很大努力来提纯这种化学物质，以建立有效的治疗手段。

通过绘制青霉素原子的三维结构图谱，霍奇金铺设了一条研发青霉素半合成衍生物的新途径，为医生们提供了治疗病毒感染的全新希望。

霍奇金研究领域被称为X射线结晶学。

化学家首先必须将想要进行分析的化合物进行结晶处理，这是一个挑战。

直到两家公司将青霉素晶体寄给霍奇金后，她用X射线照射晶体，并使放射线击打在底片上。

当X射线与青霉素晶体样本中的光子发生交互作用，它们出现了轻微衍射。

得到的结果就是感光片上截然不同的图案模型，霍奇金由此得到了青霉素分子的精确结构。

几年后，霍奇金使用同样的技术揭开了维生素B12结构，她于1964年赢得了诺贝尔化学奖——一个之前没有女性得过的荣誉。

6.原生汤

如果追溯到遥远的上古时代，您将必然面对一个难题：

解释生命的化学组成——尤其是蛋白质和核酸——是如何在地球原始环境中形成的。

1929年，生物学家约翰•霍尔丹和亚历山大•奥帕林各自独立提出假设，认为早期地球的大气层缺少氧气。

他们认为，在这种恶劣的环境下，单分子在紫外线辐射或闪电等强能量刺激下，有可能形成有机化合物。

霍尔丹补充说，海洋是可以形成有机化合物的“原生汤”。

1953年，美国化学家哈罗德•尤里和斯坦利•米勒对霍尔丹和奥帕林的猜想进行了测试实验。

他们小心翼翼地建立了一个密封系统，从而再现出地球早期大气层环境。

当时的海洋被模拟成盛有温水的烧瓶，水蒸汽从水中释放出来，被收集到另一个实验烧瓶，尤里和米勒对该实验引入了氢气、甲烷和氨气，模拟无氧大气层状况。

然后，他们用电火花代表闪电，引入到混合气体构成的无氧大气层中。

最终，冷凝器对这些气体进行冷却成为液体，收集进行分析。

一个星期后，尤里和米勒得出了惊人实验结果——在冷却的液体中大量存在有机化合物。

米勒发现了几种氨基酸，其中包括氨基乙酸、丙胺酸和谷氨酸。

氨基酸是构筑蛋白质的基础，而蛋白质是细胞结构和细胞生化酶进行重要化学反应的关键成分。

尤里和米勒得出结论称，有机分子能够来自于无氧大气层，同时最简单的生命体也可能在这种早期环境中孕育出来。

7.光的研究

存在。

巴甫洛夫还发现当额外刺激被证实经常“出错”时，这种条件反射将逐渐消失。

例如：

如果嗡嗡声反复出现，却没有食物，狗最终将不会在声音刺激下分泌唾液。

巴甫洛夫于1903年公布了这项研究结果。

一年之后，他获得了诺贝尔医学奖，依靠的是“他在消化生理学的研究成果，通过这个成果，此学科各方面的知识得以转变和扩展。

”

10.权威形象研究

20世纪60年代，斯坦利•米尔格兰姆的服从实验被认为是最著名且最有争议性的实验之一。

米尔格兰姆想知道，在科学权威的指示下，普通人可能对其他人造成多大程度的伤害。

以下是他的实验内容：

1.米尔格兰姆招募了一些志愿者——普通居民——去实施电击，同时雇佣了一些演员电击对象。

最后的试验组成部分就是权威人物。

在实验过程中，会有一名科学家始终留在房间里。

2.在每次试验中，科学家会向不知情的志愿者演示如何使用模拟电击设备。

这台仪器可以让志愿者释放高达450伏的电流。

这种程度的电击危险性很大。

3.接下来，科学家会告诉志愿者，他们实验的目的是想知道电击对于词汇记忆过程的帮助。

他要求志愿者在学生（演员）回答错误时，对其进行电击，并且随着实验进行提高电压。

4.当受到电击时，演员便开始惨叫。

在电压提高到大约150伏时，他们会要求停止实验。

而科学家会鼓励志愿者继续实施电击，不管演员表现得多么激动。

5.有些志愿者在电压上升到150伏时便退出了实验，但是大多数人一直将实验进行到450伏的峰值。

许多人质疑这个实验是否道德，但是实验结果却非常惊人。

米尔格兰姆证明了普通人会在收到权威指示后，对无辜者施加相当大的伤害。