跨越500年的科学实验

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  1.

  在遥远的2514年,有一批科学家将要进行一项特殊的任务:他们要前往英国的爱丁堡大学,找到那里的一个木箱,取出木箱中的一组玻璃瓶。在玻璃瓶中,是已被封存了500年之久的干细菌,他们要将玻璃瓶打碎,然后培育这些细菌。当然,这所有一切的发生前提是,在500年后,爱丁堡大学依然存在、箱子没有遗失、实验没有被遗忘、实验说明仍然完整,以及科学仍以某种方式存在。

  那时,在2014年启动了这项实验的科学家们都已不在人间,他们永远无法知道,他们在21世纪提出的这个与细菌寿命有关的问题的答案是什么。这项实验的发起人是德国航空航天中心的微生物学家Ralf Mller,英国爱丁堡大学的天体生物学教授Charles Cockell,以及美国康涅狄格大学的生物化学教授Peter Setlow

  有一次,Cockell在一个有盖的培养皿中存放了干燥的拟甲色球藻(chroococciopsis),但他全然忘记了这回事。当他想起来时,十年已经过去,但他却惊喜地发现这些细胞仍然存活。

  这样的例子并不罕见,有科学家曾从有着上百年历史的罐头中复苏了细菌,甚至还人宣称从有着数百万年历史的琥珀和盐晶体中复活了细菌。不过目前,科学界对于这样的结果仍有争议。

  Mller等人认为,要真正理解这意味着什么,我们需要在远超人类寿命极限的时间跨度上进行研究。

  这项跨越了500年的实验在设计上其实相对简洁明晰。实验由800个简单的玻璃瓶组成,玻璃瓶中含有要么是拟甲色球藻(Chroococcidiopsis),要么是枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的干细菌。玻璃瓶已用火焰密封完好。由于氡或宇宙射线的辐射有可能损伤DNA,因此为了进行对比,其中一半的样品被盖上了铅,作为隔绝辐射的屏障。除此之外,他们还复制了这样一套小瓶作为备用,存放在伦敦自然历史博物馆中。

  实验要求在最初的24年里,科学家每隔一年就要来测试这些干燥细菌的生存能力和DNA的受损情况;在剩下的400多年里,科学家只需每25年进行一次这样的检查。实验的第一组数据于2018年12月公布在了PLOS ONE上。

  

  ○实验设计:A.500年微生物实验及其组成。B. 装有枯草芽孢杆菌的玻璃瓶。C.保持干燥的硅珠。| 图片来源:[2]

  正如上面所介绍的那样,这项实验在操作上并不难——研究人员只需将玻璃瓶打开,往里头注入水,然后数一数经过再水化后的细菌菌落数量。而它难就难在,在漫长的500年间,一直有人能按计划完成这项实验。

  一开始,研究团队为后人准备了一个附有实验说明的U盘。但很快他们就意识到这远远不够,因为数字技术可能很快就会过时,于是他们又在纸上留下了一份打印稿。可再想想,保留了500年的纸肯定会变得破碎黄旧。难道要把实验它刻在石头上?或者刻在金属片上?万一这些也被人当废品处理掉了怎么办?

  研究人员悠远而周全的担忧有些可爱,但也并非毫无道理。对于这样一项实验来说,没有哪种信息传递方案是能确保在500年后仍万无一失的。因此,研究人员又在实验说明中添加了一条要求:未来的研究人员必须每隔25年,就对这份说明书进行一次复制,使它在语言和技术上都能跟上时代的变迁。

  2.

  像这样旷日持久甚至跨越世纪的实验并非这几位科学家的首创。一个著名的例子就是曾获得过“搞笑诺贝尔奖”的“沥青滴漏实验”。实验由一个装有黑色沥青的玻璃漏斗构成,整个装置被封闭在一个容器中。我们知道,在室温下,沥青摸上去是非常坚硬,甚至还有些脆,用锤子轻轻一敲就能砸碎。

  而物理学家Thomas Parnell想要证明,沥青实际上是一种非常粘稠的液体,它有着非常大的粘性——是水的1千亿倍。他想以此告诉大家,一些我们非常熟悉的日常材料,可以表现出非常惊人的特性。

  1927年,Parnell教授将加热过的沥青倒入这个密封的玻璃漏斗中。随后,他让沥青在漏斗中冷却、稳定了3年。1930年,他切断漏斗的滴口,然后等待沥青的滴下。从那时起,沥青就开始慢慢地从漏斗中流出。流出的过程非常缓慢,第一滴沥青用了8年的时间才滴落下来。

  在接下来的40年里又滴落了5滴。在Parnell去世之后,一群物理学家继续负责这项沥青滴漏实验,他们尽职尽责地记录下每一滴沥青。在漏斗被切断至今的近90年时间里,滴落的沥青共有9滴。最近的一次滴落发生在2014年4月。物理学家预测,下一次的滴落将发生在2020年的某个时刻。只要漏斗中还有剩余的沥青,这个实验就会继续持续下去。

  

  ○到目前为止,滴落的沥青共有9滴。| 图片来源:[3]

  3.

  如此的长期实验更常见于生物领域中。例如在英国,植物学家自1843年起,就一直在一片乡间庄园里研究不同的肥料会如何影响同一块地里的特定作物。这是世界上最古老、持续时间最长的农艺试验。

  在美国密歇根州立大学,一位植物学家在1879年将20瓶装有50颗种子的玻璃瓶埋了起来。从那时起,每隔一段时间,研究人员就会将这些种子挖出来进行活性测试,对这些埋葬于140年前的种子在发芽后的幼苗进行培育和检验。瓶子的位置是保密的,以防止被干预或篡改。最后一瓶将在2020年被挖掘出来。

  4.

  密歇根州大学对进行这种长期的实验似乎非常感兴趣,在他们的生物实验室中,还正进行着一项可持续数个世纪的大肠杆菌实验。

  自1988年2月以来,微生物学家Richard Lenski一直在观察大肠杆菌如何在代与代的更迭中突变和进化。现在,这些大肠杆菌已经经历了70500代,它们的复制速度非常快,因此对它们的研究就像是在超高倍速下观看进化一般。

  但是在一开始,Lenski并没有预见到如此遥远的未来。他本以为这个实验会持续几年,然后当收集了足够多信息时就可以将它终止。但是每当他向他人提到可能要结束这个实验时,别人都会表示“不可以”或感到惋惜。这让他意识到,这样一个时间跨度很长的实验是大多数人喜闻乐见的,而且大家也希望从这样一个实验中收获惊喜。

  2003年,他的实验室做出了一项重大发现——这些大肠杆菌突然进化出了能吞噬柠檬酸分子的能力。通过整理这项实验的存档数据,Lenski的研究生能对一系列的突变进行了重建,他们发现这一个看似快速的转变实则是由一系列逐渐出现的突变所导致的。

  现在,Lenski的实验室每天都有人将大肠杆菌转移到新的烧瓶中,他们使用的玻璃器皿和生长介质与30年前完全一样。而发生了变化的除了不断进化的大肠杆菌之外,还有他们的研究技术,例如现在,科学家已经能对大肠杆菌的整个基因组进行测序。这样的变化还将继续。

  5.

  Lenski挑选了一位科学家,准备在退休后将这项实验交给他负责。Lenski说:“要让这样一个实验继续下去,我们需要假设未来的科学在某种程度上仍与如今大致相似,大学系统也仍将存在,教授们还能拥有自己的实验室……”

  他的考量并非杞人忧天,因为就在几百年前,科研经费的主要来源还是富人的资助,而非政府机构。对于这些长达几个世纪的实验来说,它必须要有一个更加长期的财务计划,才有确保实验得以顺利进行。虽然Lenski获得了政府的资助,但他知道这并不可靠,尤其是如果哪天公众对科学的支持减弱的话,实验就会岌岌可危。因此,他一直在寻找其他的赞助人。

  与之相比,文首提到的长达500年的微生物实验的成本就要低廉得多,它只需要每25年进行一次检查。但即便如此,它也需要人们将珍视科学、创造资源实现科学铭记于心。因为500年的时间实在是太漫长了,存在着太多太多的未知。正如这项始于2014年的三国合作实验,以那时的眼光来看,德国、英国、美国的合作绝对能称得上是一个可靠的组合,但就在短短的几年,欧美相继出现那么多重大的变化,许多科研工作也因此受到了严重的影响和挑战。

  当然,我们也无需悲观。无论在多么遥远的未来,只要仍有人在不断地追问和探索未知的问题,我们就无需太过担心。因为人类的好奇心是世间最值得乐观的事。

  编译:糖兽

  参考来源:

  [1] https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/01/500-year-long-science-experiment/581155/

  [2]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0208425

  [3]https://smp.uq.edu.au/pitch-drop-experiment

  [4] https://msutoday.msu.edu/news/2000/120-year-old-experiment-sprouts-new-gardening-knowledge/

  来源:原理

  编辑:重光

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