问题

有哪些需要几代人才能完成的科学实验?

回答
有些科学实验的意义和复杂性,注定了它们无法在一个人的一生中得出结论,甚至可能需要历经数代人的努力才能窥见其全貌。这些实验往往挑战着我们对宇宙、生命或物质最根本的理解,它们的进行跨越了时间,承载着一代代科研人员的智慧与坚持。

1. 对“标准模型”之外物理现象的探索(例如:寻找暗物质和暗能量的本质)

我们目前对宇宙的认知,很大程度上建立在粒子物理学的“标准模型”之上。然而,科学家们早已发现,标准模型无法解释宇宙中绝大部分的质量和能量——这就是我们所说的暗物质和暗能量。它们的存在已经被天文观测证实,但其本质至今仍是未解之谜。

这项探索需要的不仅仅是某一个单一的“实验”,而是一系列跨越时空、涉及多种学科的漫长研究进程。

实验设计与建造的继承: 寻找暗物质的实验往往需要建造极其精密、极其庞大的探测器,例如位于意大利地下深处的XENONnT实验,或者位于美国南达科他州地下的LZ实验。这些探测器需要屏蔽掉地球上几乎所有的宇宙射线干扰,对微弱的粒子相互作用极为敏感。建造这样一台探测器本身就需要多年的规划、设计、材料选择、制造和安装。而一旦建成运行,其运行维护、数据收集和分析也是一项持续几十年的任务。

理论与实验的循环迭代: 物理学家们会根据现有的理论提出新的粒子模型,并设计相应的实验来检验这些模型。例如,某些理论预言了弱相互作用重粒子(WIMP)可能是暗物质的构成。于是,大量的探测器被设计来捕捉WIMP与普通物质碰撞时可能产生的微弱信号。但如果长期探测不到预期的信号,或者探测到的信号与模型不符,就需要对理论进行修正,甚至提出全新的理论模型。这个理论实验修正的循环,往往需要多代科学家接力才能完成。

对技术进步的依赖: 新一代的探测器往往建立在前一代技术的基础上,并融入了更先进的探测技术、更强大的计算能力和更精密的信号处理方法。例如,第一代暗物质探测器可能使用的是液态闪烁体,而新一代则可能转向使用液态氙或液态氩,并引入了更先进的光电倍增管或硅像素探测器。这种技术迭代和积累本身就需要时间,也需要不同领域的专家(物理学家、工程师、计算机科学家)的长期合作。

全球性协作与数据共享: 许多大型物理实验都是国际合作项目,需要多个国家的研究机构共同出资和参与。不同团队可能在实验的各个环节(例如探测器组件的制造、数据分析算法的开发)上贡献力量。数据共享和分析方法的统一,也需要时间的沉淀和共识的形成。

想象一下,一位年轻的物理学家在读研究生时,可能参与到某个大型暗物质探测器的设计和数据分析初期工作中。他可能在职业生涯的中期,见证了探测器开始运行并产出初步数据。到了职业生涯的晚期,他或许能看到探测器积累了足够的数据来给出某个特定模型下的排除上限,但依然未能直接探测到暗物质粒子。而他培养的学生,或许会基于这些结果,设计出下一代更灵敏的探测器,继续这项寻找宇宙终极秘密的旅程。这项实验的成功,很可能要等到几十年甚至上百年之后,才会有明确的答案,而这其中蕴含的科学知识和技术积累,早已超越了任何一位个体科学家。

2. 对长期气候变化和地球系统演化的观测与模拟

地球的气候系统是一个极其复杂且相互关联的巨大机器。要理解其长期的变化规律,预测未来的趋势,我们需要对各种因素(大气成分、海洋环流、冰川覆盖、地质活动等)进行持续、系统性的观测和深入的分析。

地质记录与年代测定: 要追溯地球的气候历史,我们需要从地质记录中提取信息,例如冰芯、沉积岩、树木年轮等。对这些记录的分析需要极高的精度和可靠性,年代测定技术(如放射性同位素测年)也在不断发展。科学家们一代一代地钻探更深的冰芯,收集更古老的沉积物样本,并发展更先进的分析技术,来拼凑出地球过去的气候图景。

全球气象监测网络: 建立和维护一个覆盖全球的气象监测网络,包括地面气象站、海洋浮标、卫星遥感等,是理解当前气候变化的基础。这些网络需要持续的资金投入和技术维护,数据收集和标准化也需要长期的努力。

气候模型的开发与验证: 气候模型的建立是一个高度复杂的过程,需要将大气动力学、海洋学、冰雪圈、生物圈等各种过程纳入其中。模型的每一次改进和优化,都需要科学家们对观测数据进行长期对比和验证,不断修正模型参数,使其更能准确地模拟地球系统的行为。这就像是为地球量身定做一套复杂的“运行手册”,而编写和完善这本手册,需要历经数代人的智慧和迭代。

低频信号的捕捉与解读: 很多重要的气候变化信号,例如海洋环流的周期性变化,或者是长期温室气体浓度的缓慢上升,都需要非常长时间的观测数据才能捕捉到。单个科学家可能无法看到完整的信号周期,需要将自己的研究成果一代一代传承下去,让后来的研究者能够连接起更长的时间序列。

想象一位气候科学家,他花费大量精力研究上一个世纪的温度和降水数据,试图从中找出某种长期趋势。他退休后,他的学生会接手他的数据和研究方向,并利用更新的气象模型和更多的观测数据进行分析。再下一代的研究者,则可能会结合更长期的地质记录和更精细的卫星观测数据,来进一步验证和拓展前人的研究成果。这项研究的目的,不仅仅是理解过去,更是为了给我们的后代提供一个关于地球未来可能走向的可靠预警。这个过程,对个体科学家来说,可能只是职业生涯中的一个片段,但对整个科学界而言,却是对地球未来负责的百年计划。

3. 对生命起源和演化的深入研究

生命的起源和演化是宇宙中最令人着迷的课题之一。要真正理解生命是如何从无机物演化而来,又是如何在漫长的地质年代里发展出如此多样性的,需要跨越多个科学领域和极长的时间尺度。

古生物学与化石记录: 生命的演化轨迹深深地刻在化石之中。发现和解读这些古老的遗迹,需要一代代古生物学家们在世界各地进行艰苦的野外考察和细致的实验室分析。每一次新的化石发现,都可能改写我们对生命演化历程的认知。从最早的单细胞生物,到恐龙时代,再到人类的出现,化石记录的梳理本身就是一个漫长的过程。

分子生物学与遗传学: 通过对现代生物基因组的分析,我们可以追溯生命的共同祖先,并理解不同物种之间的亲缘关系。但要完全理解生命的起源,还需要对早期生命形式的分子机制进行推测和模拟。这涉及到重建早期地球环境下的化学反应,并尝试在实验室中模拟出生命的雏形。

生物化学与合成生物学: 为了验证生命起源的各种假说,科学家们会尝试在模拟早期地球条件下,通过各种化学反应来构建出早期生命所需的有机分子,甚至模拟出自我复制的分子。这些实验往往非常脆弱,需要极其精确的控制和长期的观察。

天文生物学与行星科学: 生命的起源也可能发生在地球以外。寻找地外生命需要我们对其他行星和卫星的环境进行深入探测,并理解生命存在的条件。这需要与天文学家和行星科学家们合作,共同探索宇宙中可能存在生命的“沃土”。

想象一位古生物学家,他花了半辈子时间研究某个特定时期(例如寒武纪大爆发)的化石,试图理解当时生命形式的快速多样化。他的研究成果可能包含了对几十种新物种的描述和分类。而他的学生,则会利用先进的成像技术和基因组学方法,来分析这些化石中的微量有机物,或者将这些物种与现代生物进行更精细的比对。再下一代的研究者,可能会尝试模拟当时地球的古环境,并利用化学生物学的方法来重现当时生命可能存在的分子基础。这项研究的最终目标,是理解生命从何而来,为何会以如此多样化的形式存在,这个答案的揭示,无疑需要跨越数代人的努力和智慧的积累。

这些科学实验的共同点在于它们对时间和精度的极致追求,对复杂系统的深度探索,以及对人类好奇心和探索精神的永恒证明。它们不仅仅是科学研究,更是人类文明在时间长河中对未知世界不断追问和解答的伟大篇章。

网友意见

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我不太清楚这个事情在各位朋友眼中算不算科学实验。姑妄言之吧。

我们知道,在古代的很长时间里面,世界上唯一的科学可能就是天文学,而中国于此道颇有独到之处,以至于我们历史课本上还经常提及古时候的那些成就。

而中国古代天文成就在历史课本上最后一次出现,我印象里面就是这段了:

郭守敬的《授时历》推算出的一个回归年为365.2425天

中国古代的回归年测量,是以冬至到来年冬至为准的。

所以在古代中国,测量回归年,则必得精确测量冬至时刻。

中国主要处在北半球中纬度地区,我们知道,冬至是理论上一年太阳最“靠南”的一天。

也是立杆测影,影子最长的一天,换成官话就是“正午太阳高度”最低的一天。

然而通过这个其实根本测不出冬至时刻的。

由上图可以看出,实际上冬至前后太阳高度变化非常微小,当然,影长数据还要加个正切来算。然而要是想靠这个测出冬至时刻,进而测出回归年长度,无异于痴人说梦。所以人们并不 靠这个测冬至时刻。

于是从祖冲之开始,人们选择几个离冬至比较远的时间点的正午日影长度,来反推冬至时刻:

上图选择了A、B、C三个时间点的影长数据a、b、c,A1与A关于冬至点E对称。

这种方法可以比较准确的求得冬至时刻。

而只需要连续求两次冬至时刻,就可以算出求出一个回归年的长度了。

但是这样是不够的,测量和计算会因为种种原因产生误差。

想要像郭守敬一样得出365.2425这样精确的答案,必需想方设法降低误差才行。

怎么降低误差呢?

说起来容易的很。就是尽量把测量年数拉 长,一些小误差自然会被极大的被除数稀释掉。

但是做起来就难了,郭守敬算是高寿,也只是八十多年岁月而已。完全是不够看的。

郭守敬得出回归年长度的实验用了多久呢?

答案是816年!

前朝多位天文前辈的记录和计算,八百多年、六组数据、六个可靠的冬至时刻点,测出的历史教科书上的一句话。

《元史·历一》

今自刘宋大明壬寅以来,
凡测景验气得冬至时刻真数者有六,
取相距积日时刻,以相距之年除之,各得其时所用岁余。
复自大明壬寅距至元戊寅积日时刻,以相距之年除之,
得每岁三百六十五日二十四分二十五秒。
注:此处分秒与今日意义不同。只需当作逢百进位的数位即可。

这里,“大明壬寅”为公元462年,当时为“至元戊寅”,即公元1278年。

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牛津电铃试验(Oxford Electric Bell)| 时间:1840至今未结束

牛津电铃是物理学家罗伯特沃克(Robert Walker)为收集仪器而购买的第一批器材之一。自1840年以来,牛津电铃装置存放在学校实验室内。这是由2个干电池与2个铃的组合。在电池下方各有一个铃,中间悬挂直径4mm金属圆形钟锤。静电作用让中间的钟锤轮流敲击两个铃,频率为2赫兹。除了高湿度引起的偶尔短暂中断之外,自启用以来已持续响了约100亿次。

当钟锤碰到其中一个铃时,它会被上方的电池充电,接着因静电作用被另一个铃吸引,而碰触另一个铃,不断重复动作。钟锤在不同的铃之间摆动时,只会携带少量电荷到另一个铃上,所以电池才能使用那么久。牛津电铃有一项吉尼斯世界纪录,为“世界上最耐用的电池“。

因为怕拆解开来后,会使历史悠久的电铃停摆,所以至今,无人真正了解牛津电铃的电池内部组成为何,但已知电池镀有一层硫磺,以作为绝缘之用。不过有人推测这可能是Zamboni电池(早期的电动电池)的作用。


不知道诸位有生之年能否看到电池耗尽的时候。

History Archive

威廉詹姆斯比尔的发芽试验(Germination Experiment) | 时间:1879~2100

威廉詹姆斯比尔(William James Beal) 是杂交玉米的先驱者,也是WJ Beal植物园的创始人。生前他最著名的试验就是发芽试验。

1879年,比尔开始在植物学上进行时间最长的实验。他用沙子和种子填充了20个瓶子,每瓶含有21种植物,每种植物有50粒种子。然后将瓶子埋起来,瓶颈朝下,以便充分排除水分。

实验的目的是每五年发掘一个瓶子,并播种种子,并观察萌芽的数量。后来的试验管理者改变了计划,改为每十年开一次瓶子,后来又改成每二十年开一次瓶子,以此来扩大实验范围。最新的瓶子于2000年出土,其中这21种植物中有2种发芽。

目前,这项实验仍在进行中,下一瓶将于2020年进行测试,并于2100年完成这项试验。

Experiments That Keep Going And Going And Going


戈德温地块试验(Godwin Plots)| 时间:1927至今未结束

哈里戈德温爵士(Harry Godwin)在1927年建立了五个植被实验区,分布于威肯芬自然保护区,剑桥郡以及英格兰。

其中计划第一个实验区的植物不会被砍伐,第二个试验区是每四年一次砍伐,第三个是每三年一次,依次类推。试验目的是,研究砍伐植物对植物群落的影响。于1940年,完成了第一个阶段的实验。

第一阶段试验完成后,被砍伐的地块于1954年都恢复了正常的生长。并且从那时起,每年11月/ 12月都重复这同样的试验方法,观察植被的变化。

长期以来,这种管理方式产生了不同的植被模式。戈德温利用这个实验证明,仅靠人工管理就可以改变植物群落 - 这是一种现在几乎普遍被接受的理论,但在20世纪初期被认为是难以接受的。由于这项试验,威肯芬自然保护区有时被称为“现代生态学的发源地”。

The Godwin Plots - birthplace of modern... (C) Rob Noble


大肠杆菌长期进化试验(E. coli long-term evolution experiment)| 时间:1981至今未结束

1988年,著名的微生物学和分子遗传学教授理查德伦斯基Richard Lenski利用单个大肠杆菌(Escherichia coli)的后代创建了12支实验室菌株,观察它们的进化。这些细菌在包含有柠檬酸的低葡萄糖培养基中生长,每天 Lenski研究组成员会将培养物以1:100的比率换到新培养基中。

20年后,研究组发表PNAS论文,公布了他们的部分发现——大约是3.15万代细菌出现了戏剧性的变化,突然获得了代谢柠檬酸的能力,而柠檬酸是其培养基中的第二种营养物质。大肠杆菌通常并不以柠檬酸为食,因为它们无法将其携带进细胞中。不过食柠檬酸细菌中的一个突变使其产生逆向转运蛋白CitT。该蛋白能让柠檬酸绕过细胞膜进入细胞。这种蛋白的基因已经存在,但在氧气出现时通常会被关闭。

然而2016年2月1日,一组研究人员发表的一篇论文中指出,大肠杆菌中延迟出现的柠檬酸代谢能力也许并不是历史偶然性发生的结果,而是实验条件的改变。来自爱达荷大学的Scott Minnich和他的同事发现,当某些实验室条件发生改变,食柠檬酸大肠杆菌突变(Cit+)就会更快的出现,而且表现出与Lenski长期进化实验(LTEE)中观察到细菌相同的遗传变化。

Lenski于2017年3月13日进行了第10,000次实验转移,至今已超过6万代,试验仍在继续。

E. coli Long-term Experimental Evolution Project Site


500年的微生物试验 (500-Year Microbiology Experiment)| 时间:2014~2514

爱丁堡大学的英国天体生物学中心和德国航空航天中心的航空医学研究所联合,Charles
Cockell和RalfMöller为主要负责人,建立了一项“500年微生物试验”,该试验于2014年7月开始,长期耐干燥的细菌。该实验涉及营养细菌:极端耐受性蓝菌,(Chroococcidiopsis sp)和孢子形成细菌:枯草芽孢杆菌的研究。

实验包括两个橡木木箱,包含重复样品,保存在爱丁堡大学自然历史博物馆。在接下来的24年中,每隔两年,玻璃安瓿瓶内两种生物体的三份样品将被打开,并数出活细胞的数量。第一个时间点是在2014年进行的。每个木箱在这个实验被复制到一个减少和不减少的背景辐射实验中,减少途径通过保存在一个铅盒中,并且将辐射的影响与干燥的影响结合在一起,进行长期研究。

试验的目的是希望了解微生物如何在沙漠,岩石,永久冻土及其在太空中的潜在生存中幸存下来。除了核心实验之外,还将研究生物分子的破坏和降解途径。

Publications


红狐驯化试验(Domesticated red fox)| 时间:1959至今

该试验始于1959年,由动物学家德米特里·别比利伊夫(Dmitry Belyayev)在苏联开始实施,自那以后一直在持续运作。苏联解体后,该项目遇到了严重的财务问题。俄罗斯科学家 Lyudmila Trut接手继续试验,研究项目包括细胞学和遗传学。

研究员们从各皮草养殖场找来130只狐狸,之后,他们开始对这些狐狸进行养殖,希望再现从狼到狗的演化过程,这一转变开始于1.5万多年前。

每繁殖出一代狐狸幼崽,别利亚伊夫与同僚便测试它们对人类接触的反应,挑选出与人最亲近的个体进行下一代的繁殖。到了20世纪60年代中期,实验进展已超出他的预料,他们培育出像马夫里克那样的狐狸,不仅对人类没有恐惧感,还积极与人建立亲密关系。小组成员甚至对另外两个物种——貂和鼠也进行了同样的实验。

试验结果是俄罗斯科学家获得了一群驯化的狐狸,这些狐狸在气质和行为上与野生祖先有着根本的不同,产生了肉眼可见的生理学上和形态学上的显著差异。这项试验显示演化远远比人们想象的要快得多。

2014年,官员表示,狐狸的数量从未减少,现在仍然稳定在2000只左右。截至2016年8月,该农场共有270只驯化雌性狐狸和70只雄性狐狸。

A Soviet scientist created the only tame foxes in the world


弗雷明汉心脏研究试验(Framingham Heart Study)| 时间:1948至今

1948 年美国联邦政府赞助美国国立心脏、肺和血液研究所(NHLBI)启动了一个雄心勃勃的、可行的流行病学研究——弗雷明汉心脏研究 (FHS). 1971 年波士顿大学开始参与合作。

研究的目的是通过长期随访一个无 CVD、未发作心肌梗死或脑卒中的大规模人群,确定导致 CVD 的共同作用因素和疾病特征。

研究人员在弗雷明汉镇招募了5209 名 30〜62 岁男性和女性 ,1948年进行第一次体检和生活方式记录,以便以后分析相关心血管病发展的共同模式。自 1948 年,参与者每两年回到研究组,持续接受详细的医学史记录、体格检査和实验室检査。 现在已经进入第三代参与者。

以下为主要研究结果:

1. 1959 年报道,心肌梗死可能呈「无症状」发作,尤其是高血压与糖尿病患者。
2. 1961 年提出「危险因素」概念, 1963 年证实吸烟增加 CVD 危险。
3. 1965 年首次报道卒中自然病程与有关因素。
4. 1967 年发现体力活动可减少 CVD,肥胖伴有 CVD 增加。
5. 1970 年证实高血压增加卒中危险。
6. 1971 年开始 FHS 第二代研究。
7. 1974 年报道糖尿病常并发 CVD。
8. 1976 年正式停经后增加女性 CVD 风险。
9. 1977 年报道三酰甘油(甘油三酯)、LDL、HDL 对 CVD 的不同影响。
10. 1978 年报道房颤增加卒中风险。
11. 1981 年证明过滤嘴香烟无助于防治冠心病,报告膳食与心脏病的主要研究发现。
12. 1983 年报道二尖瓣脱垂的流行病学。
13. 1987 年发现纤维蛋白原增加 CVD 风险。
14. 1988 年发现高 HDL 伴有 CVD 死亡风险降低。
15. 1993 年正式轻度单纯收缩期高血压(ISH)也可增加 CVD 风险,评述了心衰诊断后的存活期。
16. 1996 年提出同型半胱氨酸为 CVD 风险因素。
17. 1997 年强调了吸烟、高血压、高胆固醇对动脉粥样硬化的累积效应,左室肥厚在无症状个体之间的心衰风险。
18. 1998 年提出冠心病预测的新积分模型,基因与男性高血压之间的关系。


Framingham Heart Study


沥青滴落试验(Pitch drop experiment)| 时间:1927至今

介绍一些与其他答案不同的地方,这项试验还有其他好几个版本,其中最著名的版本是其他人说的,该试验由澳大利亚布里斯班昆士兰大学(University of Queensland)在1927年开始进行。

其目的是为了测量极高黏度沥青在室温环境下的流动速度。当时的汤玛士·帕奈尔教授把一些沥青放进一个封了口的漏斗内,至1930年,漏斗封口被剪开,沥青开始缓慢流动。每一滴高黏度沥青需经近十年时间,方能滴进漏斗下方的烧杯之中,第一滴沥青于1938年12月滴出。时至今日,这个实验还在进行中,并已滴出九滴沥青,最近一滴沥青于2014年4月20日滴出。从实验的结果当中,人们可计算到沥青的黏度大约是水之千亿倍。

一直到1988年以前,由于该实验周围的环境并没有特别控制,因此其沥青流动速度会因温度的变化而改变,但第7滴之后装了冷气使温度固定。

实验曾由约翰·梅史东(John Mainstone)教授负责,他与帕奈尔教授于2005年凭着这个实验,而获得搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel Prize)。

虽然这项试验已经获得了吉尼斯记录,但我前面介绍的那个500年的试验必然会打破,成为新的吉尼斯记录。

有够无聊的可以看直播哈

介绍其中另外的两个版本:

都柏林圣三一学院试验(Trinity College Dublin experiment)

从1944年7月11日开始,爱尔兰都柏林圣三一大学进行了类似的实验。在2013年7月11日,他们第一次拍到了沥青液滴的滴落。


阿伯雷斯维斯大学试验(Experiment at Aberystwyth University in Wales)

其实这个试验比最著名的那要早13年,始于1914年。但由于更粘稠(或平均温度更低),这个实验尚未产生第一次滴落,所以不为人知,但如果滴下来肯定比第一个的时间长多了。

physicsworld.com/a/the-
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有一个实验似乎还没有人提过,昨天无意中看到的,顺手写下来。

伊利诺伊的玉米遗传实验,从1896年开始,今天仍然在持续。

1896年,农学家、化学家Cyril G. Hopkins在伊利诺伊农业实验站收获了163颗同种的玉米,这163颗玉米被分为4组:

1,24根蛋白质含量最高的玉米

2,12根蛋白质含量最低的玉米

3,24根含油量最高的玉米

4,12根含油量最低的玉米。

这4组玉米被分开种植,防止相互传粉,一根玉米在一块地里种一行,最高的一组种在中间。

第一年后,四组玉米都收获了,Hopkins将结果发表在1899年的《Improvement in the chemical composition of the corn kernel》中

可以看到高蛋白玉米(含量12.54%)种植出了蛋白含量11.1%的玉米,低蛋白玉米(含量9.03%)种出了蛋白含量10.55%的玉米,两者相差0.55%。

当然,实验才刚刚开始,接下来的每一年,都将重复第一年的做法,从高蛋白/油的产出里面取24颗最高的,从低蛋白/油的产出里面取12颗最低的,继续种。

1900年后,伊利诺伊玉米实验的负责人换成了L. H. Smith,他们在1908年发表了实验的第二篇论文《Ten generations of corn breeding》,并公布了结果:

十年过去,高蛋白和低蛋白的差异已经达到了5.62%,高蛋白组的含量上升到14%以上,低蛋白组含量已经低于9%。

1921年后,负责人又换成C. M. Woodworth,他们在1929年发表了论文《The mean and variability as affected by continuous selection for composition in corn》,公布了蛋白含量和含油量的差异:

蛋白和油的含量差异已经超过8%。

如果说,伊利诺伊玉米实验一开始试验的目的只是想要看不断分开选种是否会造成子代的差异越来越大,那么这个目的已经实现了。现在的实验已经有了下一个目的——完全通过选种的方式,使得蛋白质含量和含油量上升,这个上升会有上限吗?从前30代来看,两者的上升似乎都是线性的,并没有上限存在。

1951年,伊利诺伊玉米实验的负责人又换成了E.R. Leng,他们在1952年发表了论文《Fifty generations of selection for oil and protein in corn》,讲述了50代之后的情况:

看起来,含油量和蛋白质含量的线性上升并没有停止,且蛋白质含量的下降也是几乎线性的。含油量的下降则趋缓——毕竟含油量不能低于0。

到了这里,伊利诺伊实验想出了一个新的方案:如果我们这个时候从蛋白/含油组里开始选择那些蛋白/含油最低的玉米,同时从蛋白/含油组里开始选择那些蛋白/含油最高的玉米,反向选育,然后不断重复,结果会怎么样呢?

这个实验从1947年开始,1960年时达到了13代,1962年发表的论文《Results of long-term selection for chemical composition in maize and their significance in evaluating breeding systems》公布了该结果:

反向选育组的走向很有意思。虽然在之前已经经过了近50代的选育,无论是含油量还是蛋白质含量都达到了很高的程度,但从这些组别经过了仅仅13代的反向选育之后,之前的积累的优势就已经消失近半。比如在蛋白质组,反向高蛋白组和反向低蛋白组之间的差别和20代时已经差不多。

1966年后,J. W. Dudley接替了伊利诺伊玉米遗传实验,他们又在反向高油组里面进行了分叉,进行了一个「回旋」(Switchback),意思是在那些选了47代高油有选了7代低油的玉米里面再选16代高油玉米……这个玉米真的给折腾得够呛呢。

小组在1974年的《Seventy Generations of Selection for Oil and Protein Concentration in the Maize Kernel》发表了下列结果:

从这里我们又能看到,在含油量这一块,「回旋组」重新上升的速度还是挺快的;而在蛋白质含量上,反向高蛋白组的下降速度令人印象深刻,仅仅20代后,之前47代的优势就全部消失了。

用两句话来重复这两个现象,对含油量来说,是「浪子回头金不换」,对蛋白质来说,是「从善如登,从恶如崩」。

2004年,Stephen P. Moose已经成为伊利诺伊玉米实验新的负责人,他们发表了论文《Maize selection passes the century mark: a unique resource for 21st century genomics》,总结了一个世纪以来的这一场玉米试验。

从这两张图看,蛋白质的「从善如登,从恶如崩」还是在持续,从左图看,50代后反向高蛋白组和经过了100年选育的低蛋白组已经几乎没有差别,把之前50代的优势完全抵消了;而50代后的反向低蛋白组到高蛋白组之间还是有很大的差距。

含油量的「浪子回头金不换」也颇为有趣,「回旋」组已经基本赶上了高油组,弥补了7代的差异。而反向高油组和反向低油组也才刚刚碰面。看起来,对含油量来说,用选种带来上升和下降的速度是差不多的。

当然,我们不能不注意到两张图和百年前差不多的一个趋势——无论是蛋白质含量还是含油量,他们的上升仍然是几乎线性的,还没有看到显著的停止,在含油量的上升上尤其如此。这可能意味着玉米的含油量和蛋白质含量,尤其是前者,还远未被接近。

在最近几十年,随着分子生物学的兴起,玉米遗传实验已经没有那么受欢迎了。同时我们也有更多更合适的物种来做实验,比如其他的答案里有提到的大肠杆菌实验,进行了三十多年,已经有6万代了,出现了很多奇妙的特性。伊利诺伊玉米实验也开始更多地关注基因上的差异,比如实验的最近一篇论文发表在2019年7月——没错,就是上个月——他们研究了高蛋白组和低蛋白组由于RNA的不同而在「持绿性」上产生的差异并进而由于光合作用带来的产量差异。

总之,伊利诺伊玉米遗传实验仍然在继续。100年前,Cyril G. Hopkins大概完全不会想到他的实验还能有那么多玩法,期待在未来的100年,他们还能从中发现更多有趣的东西。

虽然是很简单的选种实验,但想来却十分神奇。差不多的一批玉米,分开来种,按标准选育,一个世纪以来更换了数位实验室负责人,观察了短短的一百年。

就是这一百年,已经让一批相似玉米的子女们出现了天壤之别。含油量高的,超过20%,含油量低的,已经无法检出。

如上图所示,高蛋白组颗颗呈现圆形,而低蛋白组的颗粒则呈现长条形,在外观上也已经出现了差异。一百代,似乎已经造成了极大的差异。

但是,在历史的长河中,一百代又何足挂齿?

根据2014年发表在Nature Genetics上的论文《Inferring human population size and separation history from multiple genome sequences》,用分子钟计算基因变化速率,中国人和日本人的共祖出现在8000年前,按照20年一代的算法,已经过了400代,相当于伊利诺伊玉米实验的代数重复了4次;中国人和墨西哥人的共祖出现在2万年前,相当于1000代,也就是伊利诺伊玉米实验的代数重复了10次。

再把目光放远一点,人类和黑猩猩的共祖出现在600万年前,就算20年一代,也有了30万代。

想象一下,600万年前的一只猿类,她育有两个子女,其中一个是当前所有人类的祖先,而另一个是当前所有黑猩猩和倭黑猩猩的祖先,而这相当于伊利诺伊玉米实验的代数重复了3000次。

从这个角度看,人类的进化不也正是大自然的一场大型实验吗?会不会有「反向」、「回旋」等控制因素被人类自己施加在身上呢?光是想一想,就觉得是一件非常带(kě)感(pà)的事情呢。

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    有些科学实验的意义和复杂性,注定了它们无法在一个人的一生中得出结论,甚至可能需要历经数代人的努力才能窥见其全貌。这些实验往往挑战着我们对宇宙、生命或物质最根本的理解,它们的进行跨越了时间,承载着一代代科研人员的智慧与坚持。1. 对“标准模型”之外物理现象的探索(例如:寻找暗物质和暗能量的本质)我们目.............
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    迈凯伦南京街头“亲吻”平板车,豪车出行的隐形风险近日,南京街头发生的一起令人心痛的事故,一辆迈凯伦跑车在行驶过程中追尾一辆平板货车,车头深深地插入平板车的车底,整车损毁严重,几乎报废。这起事故再次将人们的目光聚焦在驾驶豪车出行所面临的潜在安全风险上。当速度与激情碰撞上粗犷的现实,豪车在带来极致驾驶体.............
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    嘿!欢迎来到这个全新的世界!大学,你们来了!恭喜你们跨出了人生中至关重要的一步。站在你们面前的,是一个充满了无限可能,也同样伴随着未知与挑战的崭新旅程。或许此刻你们的心情复杂,有对未来的憧憬,有对离家的不舍,也有对未知环境的些许忐忑。别担心,这都是再正常不过的情绪。我也是这样走过来的。我想和你们聊聊.............
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    网络上的陷阱真是越来越多了,让人防不胜防。最近就听到不少让人心惊胆战的诈骗案例,有些手法真是层出不穷,如果不提高警惕,很容易就中招了。一、仿冒客服,步步为营这种诈骗手法算是老生常谈了,但屡试不爽,而且花样越来越多。 经典剧本升级: 以前可能就是冒充购物平台客服,说你的订单有问题需要退款。现在呢?.............
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    人生这趟列车,沿途风光万千,但有些风景,除非你亲自踏足,否则永远只能是地图上的一个标记,永远隔着一层不确定的雾。我想说的“真知”,就是那些需要亲身去经历,去碰撞,去感受,才能真正内化于心,成为自己骨子里东西的体悟。爱与被爱这是一个老掉牙的话题,但却是最最显而易见的。书本上、电影里,那些关于爱情的描绘.............
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    得了糖尿病,确实有很多需要注意的地方,这是一种需要长期管理的生活方式性疾病。别担心,只要我们掌握正确的方法,积极应对,完全可以控制好血糖,享受健康生活。下面我就来详细说说,关于糖尿病的注意事项以及如何有效监测血糖。一、糖尿病需要注意什么?糖尿病的重点在于“控”。我们要控制好血糖、血压、血脂,同时也要.............
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    撰写一篇优秀的英文论文,绝非一蹴而就,其中蕴含着许多需要细心打磨的细节。这不仅仅是语言的堆砌,更是思维逻辑、学术规范和表达清晰度的综合体现。下面我将为您详细解析,力求让每一位论文写作者都能从中获益,并写出真正属于自己风格的优秀作品。一、 明确研究方向与主题:根基稳固方能枝繁叶茂在动笔之前,对研究方向.............
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    在《巫师3:狂猎》那庞大而真实的世界里,隐藏着无数值得我们放慢脚步、细细品味的细节。这些细节并非总是显而易见的任务目标或战斗机制,而是那些悄无声息地融入环境、对话、角色表情甚至物品描述中的点点滴滴,它们共同构建了游戏的灵魂,让这个世界显得如此鲜活、有血有肉。环境叙事的力量:不止于风景如果你只是匆匆赶.............
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    在你准备踏入《巫师3:狂猎》那个充满魔法、怪物和政治阴谋的世界之前,花点时间了解一下它的背景,绝对能让你如虎添翼,更好地沉浸其中,而不是被那些陌生的名词和关系搞得一头雾水。这游戏可不是那种随便点点就能懂的。1. 这是个怎样一个世界?“巫师”究竟是啥?首先,你需要知道,这是一个典型的“灰”色系奇幻世界.............
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    嘿,第一次接触《文明5》?恭喜你即将踏上一段充满策略与沉浸感的奇妙旅程!作为一名刚入坑的玩家,可能会觉得信息量有点大,但别担心,我来给你拆解一下,让你少走弯路,早日体会文明的乐趣。首先,心态要放稳,别怕犯错。《文明5》是个复杂的游戏,第一次玩肯定会有各种摸索,甚至可能直接输掉。这太正常了!把它当成学.............
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    海上生活,不同于陆地,有着一套独特而严苛的规矩,很多都是我们普通人难以想象的禁忌。这些禁忌的形成,并非是凭空捏造的迷信,而是无数次血泪教训凝结而成的生存智慧,是海员们在极端环境中保障自身安全和船舶航行的生命线。一、 海员们在海上的严格禁忌让我来跟你掰扯掰扯海员们在海上都有哪些“规矩”是绝对不能碰的,.............
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    生活中无处不在,但我们可能没意识到它们背后蕴含的“物理化学”知识。这门学科并非高高在上,而是我们与世界互动的基石。今天,就让我带你走进这些触手可及的物理化学常识,看看它们是如何影响我们的日常生活的。厨房里的魔法:从柴米油盐到分子世界咱们先从最接地气的厨房说起。你有没有想过,为什么炒菜时,油会浮在水上.............
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    第一次去游泳馆,心情是不是有点小激动又有点小忐忑?别担心,这篇经验分享绝对是为你量身定做的,保准让你一次就玩得开心又安全!咱们就用最实在的白话聊聊,保证不让你看了觉得像在背说明书。一、 装备准备:少了啥也别落了这些“宝贝”!这可是去了之后能不能顺畅享受游泳乐趣的关键第一步! 泳衣/泳裤: 这就不.............
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    中医博大精深,源远流长,但正如任何一个事物一样,它也并非完美无缺,存在着一些可以进一步提升和优化的空间。在我看来,中医的改进方向可以从以下几个方面来探讨,而且这些改进并不是否定中医的根本,而是为了让它更好地服务于现代社会和人类健康。一、科学化与规范化程度的提升这是很多非中医界人士,乃至部分中医从业者.............
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    考研初试结束后,你紧绷的神经终于可以稍微放松一些了,但同时,新的阶段也悄然而至。这段时间可不是让你完全“躺平”的时候,有很多细节需要你关注,才能让你的考研之路走得更稳健。1. 保持平常心,耐心等待成绩公布 别太焦虑: 成绩公布前,焦虑是正常的,但过度的焦虑只会影响你接下来的计划。相信自己的努力,.............
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    好的,为你详细梳理一下决定出国留学后,那些必须落到实处、让你从“想”变成“飞”的关键准备事项。这绝对不是一份空泛的清单,而是我作为一个过来人,真心觉得需要一步一步抓的事情。第一阶段:明确方向与目标——别瞎忙! 为什么要去留学? 这是最核心的问题。是为了提升学术能力?体验异国文化?学习专业技能?还.............
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    2022春节驾车出行,既是与家人团聚的温馨时刻,也可能面临着路途的挑战。为了让您的旅途更加顺畅、舒适和安全,以下是一些需要特别注意的事项以及能够提升驾车舒适度的小妙招,希望能助您一臂之力:出行前的准备,细节决定成败: 车辆“体检”是重中之重: 春节期间,车辆高强度运转是常态,提前对车辆进行全面检.............
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    电力期货市场作为一种重要的风险管理和价格发现工具,其成熟与否直接关系到电力行业的稳定运行和健康发展。在国内,电力期货市场尽管已经有所探索和发展,但距离真正成熟、高效运作还有不少需要解决的问题。下面将结合实际情况,详细阐述这些问题及其可能的解决方案。一、 需要解决的问题1. 标的物的界定与标准化问题.............
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    跳绳这玩意儿,看似简单,跳几下就行了,但要跳得好,跳出效果,还得注意些门道。不然,别说练出马甲线了,说不定还得把自己折腾伤了。我跟你好好唠唠,跳绳这事儿,都有哪些需要留神的地方。一、 跳绳前的“热身功夫”不能少这就像开车前要检查一下油水一样,跳绳前不热身,关节、肌肉容易突然发力,直接“罢工”,弄不好.............
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    当然,我很乐意和你一起探讨在英语写作中需要避免的“中式英语”错误。这篇文章不会有任何AI的痕迹,只会是我作为一位对语言有研究、也曾有过类似困扰的朋友,为你带来的真实经验分享。“中式英语”这个说法,有时候会带点贬义,但其实它更多是一种语言迁移的自然现象。因为我们母语是中文,我们在学习和使用英语时,不可.............

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