作者:张文静 来源:中国科学报 发布时间:2022/5/16 14:34:53
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青蒿素、中子、海洋科考:
150年历史告诉你,基础科学如何推动人类进步

 

90年前,当英国物理学家查德威克通过实验发现一种新粒子时,他一定想不到,90年后的人们,会受益于他的发现,用上核能发电。

2022年是联合国确定的“基础科学促进可持续发展国际年”,相关活动将由联合国教科文组织于2022年7月至2023年6月底实施。“基础科学是实现可持续发展的必要条件。”该项目官网上写道,“基础科学为我们应对食品、能源、健康、通信技术等方面的关键挑战提供了必要手段。”

除了中子发现90年,今年还是青蒿素首次提取50年、首次环球海洋科考150年。这些教科书级别的基础科学重大突破,都是科学研究促进可持续发展的生动案例。它们始终提醒着我们,基础科学对于人类发展的重要意义。

50年前:青蒿素的发现减轻了人类的疟疾之苦

屠呦呦因发现青蒿素、对疟疾治疗作出突出贡献,获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。实际上,青蒿素的发现造福了全人类。而今年正是青蒿素首次提取50年。

疟疾是严重危害人类健康的传染病。20世纪60年代,氯喹抗疟失效,人类饱受疟疾之苦。在这种背景下,1967年5月23日,中国政府正式启动了“523”国家项目,以加强抗疟药物的研究。1969年,屠呦呦被选为该项目的研究组组长。

开启抗疟研究后,屠呦呦和同事广泛收集历代医籍、查阅群众献方、向老中医专家请教。仅用3个月的时间,他们就收集了2000多种草药,并从中精选出640种可能有效的草药,形成《疟疾单秘验方集》。

在最初的药物筛选与实验中,屠呦呦团队对380多种提取物进行了测试。然而,大多数结果都不令人满意。他们没有放弃。终于,1971年,转机出现了——青蒿提取物产生了理想但不稳定的抑制率。

那么,又该如何解决青蒿提取物实验药效不稳定的问题呢?“重新埋下头去,看医书!”屠呦呦的坚持带动着整个团队。这时,东晋葛洪《肘后备急方》中治寒热诸疟的药方进入了屠呦呦的视线。“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之”,她陷入沉思,为什么古人用“绞取汁”,而非中药常用的煎熬法?经过周密的思考,屠呦呦重新设计了在低温条件下提取青蒿有效成分的方案。

1971年10月4日,中国中医研究院中药研究所的一间实验室里,研究员们屏住呼吸等待着青蒿乙醚中性提取物样品抗疟实验的最后结果。终于,结果出来了,对疟原虫的抑制率达到100%!实验室沸腾了。1972年,屠呦呦和同事提炼出了抗疟有效成分青蒿素。

从那时至今,青蒿素及其衍生物成为世界上治疗疟疾最有效的药物,挽救了数百万人的生命。

2015年,联合国提出了17个可持续发展目标,其中一项便是“确保健康的生活方式,促进各年龄段人群的福祉”,并提出到2030年,要“消除艾滋病、结核病、疟疾和被忽视的热带疾病等流行病,抗击肝炎、水传播疾病和其他传染病”。

无疑,在对抗疟疾这个威胁人类生命健康的重大公共卫生挑战中,关于青蒿素的基础科学研究发挥了至关重要的作用。

90年前:中子的发现敲开核能时代的大门

充足的能源是人类可持续发展的必要条件,但目前以化石燃料为主的能源体系越来越无法满足环境保护的需要。发展利用新的清洁能源成为必然趋势。在这其中,核能成为人类应对能源挑战的选择之一。

而人类之所以能够进入核能时代,正是得益于90年前一项基础科学研究——中子的发现。

1932年,查德威克设计了一个实验,用α粒子轰击铍,再用铍产生的射线轰击氢、氮,打出了氢核和氮核。他测量了被打出的氢核与氮核的速度,由此推算出了这种新粒子的质量。

查德威克认为,只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释,这种粒子不带电,因此被称为“中子”。凭借对中子的发现,查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

中子发现后,原子核由质子和中子构成的理论假设被科学界普遍接受。中子不带电荷,很容易接近原子核并被吸收,科学家由此想到可以用中子作为“炮弹”来轰击各种元素的原子核,由此产生了一系列重要发现。

比如,物理学家费米和同事用中子轰击了周期表中的所有元素,并辩认了因此而产生的具有放射性的元素。费米发现的由“慢中子”引起的反应,为后来研究重核裂变的链式反应和原子核反应堆的理论设计奠定了基础。

这些发现为人类利用核能打下了基础,可以说,“中子”敲开了人类进入核能时代的大门。核电站利用原子核内部蕴藏的能量大规模地生产电力。一座100万千瓦的核电站每年只需要补充30吨左右的核燃料,而同样规模的火电厂每年要烧煤300万吨。

如今,核能在构建现代能源体系、保护生态环境、应对气候变化、实现碳中和目标等方面已显示出重要作用,而核能发展中成本、安全等问题的进一步解决,仍有赖于相关基础科学的发展。

150年前:首次环球海洋科考奠定海洋保护的基础

在17个可持续发展目标中,“保护和可持续利用海洋和海洋资源以促进可持续发展”位列其中。“海洋生物多样性对人类和地球的健康至关重要。”联合国官网上写道。

保护和可持续利用海洋和海洋资源,首先要了解海洋。而人类全面了解海洋的第一步,要从150年前那次环球海洋科考说起。

1872年12月7日,“挑战者”号科考船从英国朴茨茅斯港拔锚启航。船上除了243名船员外,还有6位科学家,由英国爱丁堡大学博物学家维韦尔·查尔斯·汤姆森领导。船是从英国皇家海军租借来的,为了便于科学家保存和分析样本,船内还特意增设了科学实验室和库房。

这是人类历史上首次综合性的海洋科学考察。

1876年5月26日,“挑战者”号回港。在3年5个月的时间里,这艘科考船航行至大西洋、太平洋与印度洋,勇踏前人未至之境。

这次海洋科考在科学史上具有重要意义,科学家第一次使用颠倒温度计测量了海洋深层水温及其季节变化;采集了大量海洋动植物标本和海水、海底底质样品,发现了715个新属及4717个海洋生物新种;验证了海水主要成分比值的恒定性原则;编制了第一幅世界大洋沉积物分布图;此外,还测得了调查区域的地磁和水深情况。

自1877年起,汤姆森和科考队另一位科学家约翰·默里带领70多位科学家,开始整理《“挑战者”号航海考察科学成果报告》。这项浩大的编纂工程,直到1895年才全部出齐。报告一共有50卷,包括动物学分册40卷、植物学分册2卷、物理化学分册2卷、概述5卷,另附一卷专述深海沉积内容,总计2.95万页。

“挑战者”号的远航壮举及随后产生的洋洋50卷科考报告,正式宣告了近代海洋学的诞生。默里在报告中盛赞此次科考为“我们这颗行星上,自十五和十六世纪的大航海壮举以来最伟大的知识性探索”。

几百年来,正是这些执着于“知识性探索”的基础科学研究,使人类对世界运行规律的认知不断深入,并在此基础上推动了人类生产生活方式的重大变革,使之最终进入到可持续发展的新阶段。

如今,基础科学研究及其带来的科技创新浪潮,仍在守卫人类健康、应对气候变化、发展清洁能源、保护陆地和海洋生态系统等方面发挥着重要作用,构建着让所有人更美好和更可持续发展的蓝图。

 
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