有项科学实验持续500年,设计实验的人是怎么想的?
想象一下,在2514年,对2514年的某一天,科学家来到爱丁堡大学,打开一个木箱,打碎一组小玻璃瓶,取出里面已有500年历史的干燥细菌加以培养。
你可能觉得不可思议,因为500年后的世界是什么样子都不知道。因此这一切的前提条件是假设:
在2514年,整个实验没有被遗忘,操作指南没有被篡改,科学——或它的某些版本仍然存在。
到那时,构思设计了这项实验的科学家们——德国航空航天中心微生物学家拉尔夫•穆勒(Ralf Moller),以及他在英国和美国的合作者们,将早已离世。
自然,他们将永远无法得知2014年引起他们兴趣的关于细菌寿命问题的答案。
这个研究耗时耗力,究竟是什么勾起了穆勒团队的研究热情?
穆勒在爱丁堡大学的合作者,查尔斯•考克尔(Charles Cockell),曾经遗忘了一个干燥的有盖培养皿中的拟甲色球藻,在长达10年后,竟然发现这些细胞仍然活着。
不仅如此,科学家们从有着118年历史的肉罐头中复活了细菌。
更有争议的是,竟然从数百万年前的琥珀和盐晶体中复活了细菌。
穆勒说:“所有这些现象都表明,我们星球上的生命不受人类标准的限制。”要理解这意味着什么,需要的工作研究时长远远超出人类的寿命。
这个持续500年的实验包含800个小玻璃瓶,玻璃瓶中装着拟甲色球藻或枯草芽孢杆菌。
小玻璃瓶已用火焰完全密封,其中一半用铅覆盖,以保护它们免受氡或宇宙射线的辐射,因为这些辐射会导致DNA受损。(还有一套复制的小玻璃瓶,放在伦敦自然博物馆备用。)
在实验最初的24年里,每隔一年,科学家们都要来测试这些干燥细菌的生存能力和DNA受损状况。
而在接下来的475年里,每隔25年测试一次即可。这项实验的第一组数据已于近期公布。
实验本身很简单:
打开小玻璃瓶,加水,数一数菌落数目是很容易的。
难点在于:要确保有人在未来很长一段时间内,谁能按计划“接力”这件事。
他们首先想到了u盘,内有操作指令,但穆勒意识到这远远不够,因为数字技术很快就会过时。
“那就把操作指南写到纸上吧?”穆勒说:“但是500年后,纸会变黄变脆。那么,我们应该把它刻在石头上吗?还是必须把它刻在金属板上呢?”
“但是,如果未来有一个目不识丁的人来到这里,决定把这个金属板当作一个炫酷、闪亮的遗物,就像盗墓者洗劫古墓那样,该怎么办呢?”
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没有一种策略能够确保500年都万无一失。
因此,研究团队要求研究者每隔25年复制一次这些操作指令,使它们在语言和技术上都能够跟上时代的变迁。
穆勒和同事们计划这项跨越几个世纪的实验,可谓雄心勃勃。但这在科学史上并非首创。
1927年,物理学家托马斯•帕内尔(Thomas Parnell)将焦油沥青倒入漏斗中,等待这种高黏性物质慢慢滴落。帕内尔去世后,由一组物理学家负责管理沥青滴落实验,他们尽职尽责地记录下每一滴沥青的滴落。最近一次的滴落是在2013年7月9日,而漏斗内的沥青仍足够使这个实验再持续几百年。
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自1843年以来,科学家们一直在英国的一个乡间庄园里研究“不同的肥料是如何影响在同一块田地里年复一年生长的特定作物的”。
在伊利诺斯伊,农业科学家从1896年开始一直在进行玉米育种实验。在密歇根州立大学,一位植物学家于1879年将20只玻璃瓶埋了起来,每个瓶子装有50颗种子,每隔一段时间就会将其中的一瓶挖出来,检测里面的哪种植物种子会发芽。
瓶子的位置是保密的,以防止被篡改。
最后一瓶将在2020年被挖掘出来。
自1988年2月以来,微生物学家理查德•伦斯基(Richard Lenski)的实验室一直在观察“大肠杆菌如何在世代之间产生突变和进化”。
他们现在已经观察到了第7 0500代。因为大肠杆菌的繁殖速度如此之快,这就像在观察超高速的进化一样。
尽管这个实验持续到现在已有几十年的时间,但伦斯基一开始并没有长期研究的计划。
他曾经一度以为这个实验只会持续几年,他觉得自己已经收集了尽可能多的信息,于是考虑结束这个实验。
但他回忆说:“每当我向人们谈及我可能会结束实验时,他们都说不可以。这让我意识到,人们很愿意看到这种长期持续的实验,并期待着它能够带来惊喜。”
2003年,伦斯基实验室有了迄今为止最令人惊讶的发现之一——大肠杆菌突然进化出了代谢柠檬酸的能力。
通过观察其实验室冷冻保存的大肠杆菌世代基因,伦斯基的研究生重建了一系列的突变,正是这些突变累积造就了一个看似快速的进化。
伦斯基已经选定了一位科学家,确保在自己退休后这项实验任务后继有人。
伦斯基说:“当然,要让这样的实验能够持续下去,前提是科学在某种程度上仍然像今天这样受重视——也就是说,大学将持续存在,教授们将仍然有实验室,等等。”
事实上,科学研究在几百年前与现在就有很大的不同。那时候,科研经费主要来自富裕的资助人,而不是政府机构。
一项持续数世纪的实验需要一个长期的财务计划,伦斯基一直在寻找一位富裕的赞助人。
他的实验得到了政府的资助,但他知道这是不可靠的,尤其是如果公众对科学的支持减弱的话。
伦斯基认为理想状况是创建一个基金会。
他已经计算过了:
一项250万美元的捐赠,每年将提供大约10万美元的回报,这应该足够支付材料成本和一名每天参与实验的技术人员的工资。
他在发给我的一封电子邮件的结尾写道:“因此,对于任何赞助者的慷慨捐赠,我们都将不胜感激。”
相比之下,穆勒那项持续500年的微生物实验成本要低得多,也没有那么复杂,因为它只需要研究人员每25年进行一次即可。但它确实要求人们重视科学,并努力寻找资源进行科学实践。
穆勒已开启了探险旅程,他说:“想象一下,翻过这座山,跨过这条河,越过这片海洋,我们会看到什么?好奇心使我们乐观。”
本文作者:张晓文(Sarah Zhang)
资料来源:
The 500-Year-Long Science Experiment
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