Знаковые научные эксперименты и открытия.

Введение

Следующий список исторически важных научных экспериментов и наблюдений, демонстрирующих что-то, представляющее большой научный интерес, как правило, элегантным или изобретательным способом.

Биология

Роберт Хук, используя микроскоп, наблюдает клетки (1665). Антон ван Левенхук открывает микроорганизмы (1674–1676). Джеймс Линд публикует «Трактат о цинге», в котором описывается контролируемый эксперимент на борту судна с использованием двух идентичных популяций, но с единственной переменной – потреблением цитрусовых фруктов (1753). Эдвард Дженнер проверяет свою гипотезу о защитном действии легкой коровьей оспы против оспы, первую вакцину (1796). Эксперименты Грегора Менделя с горохом привели его к формулированию многих фундаментальных законов генетики (доминирующие и рецессивные гены, соотношение 1–2–1, см. Менделевское наследование) (1856–1863). Чарльз Дарвин демонстрирует эволюцию путем естественного отбора, приводя множество примеров (1859). Луи Пастер использует колбы S-образной формы, чтобы предотвратить заражение бульона спорами, тем самым опровергая теорию самозарождения (1861) и расширяя эксперимент Франческо Реди с испорченным мясом (1668) до микромасштаба. Чарльз Дарвин и его сын Фрэнсис, используя проростки овса, выращенные в темноте, обнаруживают, что стимул к фототропизму воспринимается кончиком побега (колеоптилем), но изгиб происходит в области ниже кончика (1880). Эмиль фон Беринг и Китасато Шибасабуро демонстрируют пассивный иммунитет – защиту животных от инфекции путем введения иммунной сыворотки (1890). Томас Хант Морган идентифицирует ген, сцепленный с половой хромосомой, у Drosophila melanogaster (1910), а его ученик Альфред Стёртевант разрабатывает первую генетическую карту (1913). Александр Флеминг демонстрирует, что зона подавления роста вокруг колонии плесени пеницилла на чашке с бактериальной культурой вызвана диффундирующим веществом, выделяемым плесенью (1928). Фредерик Гриффит демонстрирует (эксперимент Гриффита), что живые клетки могут быть трансформированы посредством «преобразующего принципа», впоследствии идентифицированного как ДНК (1928). Карл фон Фриш расшифровывает «танцы виляния», которые медоносные пчелы используют для передачи информации о местонахождении цветов (1940). Джордж Уэллс Бидл и Эдвард Лори Татум формулируют гипотезу «один ген – один фермент» на основе индуцированных мутаций в плесневом грибе Neurospora crassa (1941). Эксперимент Люрии и Дельбрюка показывает, что у бактерий полезные мутации возникают независимо от отбора, а не в ответ на него (1943). Барбара МакКлинток скрещивает растения кукурузы по цвету, что приводит к открытию транспозонов, или «прыгающих генов» (1944). Линус Полинг и его коллеги в работе «Серповидноклеточная анемия, молекулярная болезнь» показывают, что генетическое заболевание человека – серповидноклеточная анемия – вызвано молекулярным изменением в специфическом белке, гемоглобине (1949). Эксперимент Херши — Чейза (Альфред Херши и Марта Чейз) с использованием бактериофагов доказывает, что ДНК является наследственным материалом (1952). Эксперимент Мезелсона — Сталя доказывает, что репликация ДНК происходит полуконсервативным способом (1958). Эксперимент Крика, Бреннера и др. с использованием мутаций со сдвигом рамки чтения подтверждает триплетную природу генетического кода (1961). Эксперимент Ниренберга и Маттеи демонстрирует синтез белка in vitro с использованием синтетической РНК в качестве замены мРНК (1961). Джон Гурдон клонирует животное – головастика лягушки – из яйцеклетки, используя ядро клетки кишечника (1962). Роджер В. Сперри демонстрирует потенциальную независимость двух полушарий человеческого мозга на пациентах с рассеченным мозгом (1962–1965). Эксперимент Ниренберга и Ледера, связывающий тРНК с рибосомами с помощью синтетической РНК для расшифровки генетического кода (1964). Демонстрация роли обратных транскриптаз в опухолевых вирусах, независимо друг от друга Говардом Темином и Дэвидом Балтимором (1970). Герберт Бойер и Стэнли Коэн селективно клонируют гены в бактериях, используя бактериальные плазмиды, разрезанные специфическими эндонуклеазами (1975). Мэри Делл Чилтон показывает, что краун-галльные опухоли растений вызваны переносом небольшого фрагмента ДНК из бактерии Agrobacterium tumefaciens в растение-хозяина, где он становится частью его генома (1977). Наполи, Лемье и Йоргенсен открывают принцип интерференции РНК (1990).

Robert Hooke, using a microscope, observes cells (1665). Anton van Leeuwenhoek discovers microorganisms (1674–1676). James Lind, publishes 'A Treatise of the Scurvy' which describes a controlled ship board experiment using two identical populations but with only one variable, the consumption of citrus fruit (1753). Edward Jenner tests his hypothesis for the protective action of mild cowpox infection for smallpox, the first vaccine (1796). Gregor Mendel's experiments with the garden pea led him to surmise many of the fundamental laws of genetics (dominant vs recessive genes, the 1–2–1 ratio, see Mendelian inheritance) (1856–1863). Charles Darwin demonstrates evolution by natural selection using many examples (1859). Louis Pasteur uses S shaped flasks to prevent spores from contaminating broth. This disproves the theory of Spontaneous generation (1861) extending the rancid meat experiment of Francesco Redi (1668) to the micro scale. Charles Darwin and his son Francis, using dark grown oat seedlings, discover the stimulus for phototropism is detected at the tip of the shoot (the coleoptile tip), but the bending takes place in the region below the tip (1880). Emil von Behring and Kitasato Shibasaburō demonstrate passive immunity, protection of animals from infection by injection of immune serum (1890). Thomas Hunt Morgan identifies a sex chromosome linked gene in Drosophila melanogaster (1910) and his student Alfred Sturtevant develops the first genetic map (1913). Alexander Fleming demonstrates that the zone of inhibition around a growth of penicillin mould on a culture dish of bacteria is caused by a diffusible substance secreted by the mould (1928). Frederick Griffith demonstrates (Griffith's experiment) that living cells can be transformed via a transforming principle, later discovered to be DNA (1928). Karl von Frisch decodes the waggle dance honey bees use to communicate the location of flowers (1940). George Wells Beadle and Edward Lawrie Tatum moot the "one gene one enzyme hypothesis" based on induced mutations in bread mold Neurospora crassa (1941). Luria–Delbrück experiment demonstrates that in bacteria, beneficial mutations arise in the absence of selection, rather than being a response to selection (1943). Barbara McClintock breeds maize plants for color, which leads to the discovery of transposable elements or jumping genes (1944). Linus Pauling and colleagues show in "Sickle Cell Anemia, a Molecular Disease" that a human genetic disease, sickle cell anemia, is caused by a molecular change in a specific protein, hemoglobin (1949). Hershey–Chase experiment (by Alfred Hershey and Martha Chase) uses bacteriophage to prove that DNA is the hereditary material (1952). Meselson–Stahl experiment proves that DNA replication is semiconservative (1958). Crick, Brenner et al. experiment using frameshift mutations to support the triplet nature of the genetic code (1961). Nirenberg and Matthaei experiment demonstrating in vitro protein synthesis using synthetic RNA as to substitute for messenger RNA (1961). John Gurdon clones an animal, a frog tadpole, from an egg cell using the nucleus from an intestinal cell (1962). Roger W. Sperry shows the potential independence of the two sides of the human brain using split brain patients (1962–1965). Nirenberg and Leder experiment, binding tRNA to ribosomes with synthetic RNA to decipher the genetic code (1964). Demonstration of the role of reverse transcriptases in tumor viruses, independently by Howard Temin and David Baltimore, 1970. Herbert Boyer and Stanley Cohen selectively clone genes in bacteria, using bacterial plasmids cut by specific endonucleases (1975). Mary Dell Chilton shows that crown gall tumors of plants are caused by the transfer of a small piece of DNA from the bacterium Agrobacterium tumefaciens into the host plant, where it becomes part of its genome (1977). Napoli, Lemieux and Jorgensen discover the principle of RNA interference (1990).

Химия

Блез Паскаль поднимает барометр на церковную башню и в гору, чтобы определить, что атмосферное давление обусловлено столбом воздуха (1648). Роберт Бойль использует воздушный насос для определения обратной зависимости между давлением и объемом газа. Эта зависимость стала известна как закон Бойля (1660–1662). Джозеф Пристли подвешивает чашу с водой над пивным чаном на пивоварне и синтезирует газированную воду (1767). Антуан Лавуазье определяет, что кислород соединяется с веществами при сгорании, тем самым опровергая теорию флогистона (1783). Антуан Лавуазье определяет, что химические реакции в закрытом сосуде не изменяют общую массу. На основе этих наблюдений он устанавливает закон сохранения массы (1789). Бенджамин Томпсон, граф Рамфорд, демонстрирует, что тепло, выделяемое при трении при нарезании пушек, практически неисчерпаемо. Этот результат был представлен в противовес теории калорий (1798). Хамфри Дэви использует электролиз для выделения элементарных калия, натрия, кальция, стронция, бария, магния и хлора (1807–1810). Жозеф Луи Гей-Люссак изучает реакции между газами и определяет, что их объемы химически соединяются в простых целочисленных соотношениях (1809). Роберт Браун изучает очень мелкие частицы в воде под микроскопом и наблюдает броуновское движение, которое впоследствии было названо в его честь (1827). Фридрих Вёлер синтезирует органическое соединение мочевину, используя неорганические реагенты, опровергая применение витализма к химическим процессам (1828). Томас Грэм измеряет скорости истечения для различных газов и устанавливает закон истечения и диффузии Грэма (1833). Юлиус Роберт фон Майер и Джеймс Прескотт Джоуль измеряют тепло, выделяемое при механической работе. Это устанавливает принцип сохранения энергии и кинетическую теорию тепла (1842–1843). Луи Пастер разделяет рацемическую смесь двух энантиомеров, сортируя отдельные кристаллы, и демонстрирует их влияние на поляризацию света (1849). Андерс Йонас Ангстрем наблюдает присутствие водорода и других элементов в спектре Солнца (1862). Франсуа Мари Раульт демонстрирует, что снижение давления паров и температуры замерзания жидкостей, вызванное добавлением растворенных веществ, пропорционально количеству присутствующих молекул растворенного вещества. Это устанавливает понятие коллигативных свойств (1878). Сванте Аррениус изучает электропроводность солевых растворов и определяет, что соли диссоциируют на ионы в воде (1884). Сванте Аррениус определяет влияние температуры на скорость реакции и формулирует понятие энергии активации (1889). Уильям Рамзи и лорд Рэлей (Джон Стратт) выделяют благородные газы (1894–1898). Анри Беккерель, Мария Кюри и Пьер Кюри открывают радиоактивность и описывают ее свойства (1896). Михаил Цвет (Михаил Семенович Цвет) разделяет хлорофилл от других растительных пигментов с помощью хроматографии (1901). Фредерик Содди и Уильям Рамзи наблюдают образование гелия из альфа-частиц во время радиоактивного распада (1903). Эрнест Резерфорд обнаруживает, что атомы имеют очень маленькое положительно заряженное ядро в эксперименте с золотой фольгой, также известном как эксперимент Гейгера-Марсдена (1909). Отто Ган открывает ядерный изомеризм (1921). Альберт Сент-Дьёрдьи и Ганс Адольф Кребс открывают цикл лимонной кислоты окислительного метаболизма (1935–1937). Отто Ган и Фриц Штрассман открывают ядерное деление урана (1938). Гленн Теодор Сиборг и его коллеги создают и выделяют пять трансдурановых элементов. Они реорганизуют периодическую таблицу в ее нынешнюю форму (1941–1950). Эксперимент Миллера-Юри демонстрирует, что органические соединения могут спонтанно возникать из неорганических (1953). Мелвин Кальвин и Эндрю Бенсон определяют путь углерода в фотосинтезе, используя хлореллу и углекислый газ, меченный углеродом 14 (14CO2) (1945–1954). Эрвин Чаргафф опровергает "тетрануклеотидную теорию" структуры ДНК и определяет, что состав двухцепочечной ДНК следует правилу: %A = %T и %G = %C (правило Чаргаффа). Это открытие было критически важным для формулирования модели структуры ДНК Уотсона-Крика. Нил Бартлетт смешивает ксенон и гексафторид платины, что приводит к первому синтезу соединения благородного газа, гексафтороплатината ксенона (1962). Роберт Бернс Вудворд объявляет о полном синтезе витамина B12 командой, которую он возглавлял (1973). Выводы из этой работы привели его и Роальда Хоффмана к формулированию правил Вудварда-Хоффмана для определения стереохимии продуктов органических реакций. Фредерик Сэнгер демонстрирует дидезокси- или метод обрыва цепи для определения последовательностей ДНК (1975). Кэри Маллис демонстрирует полимеразную цепную реакцию, метод для амплификации специфических фрагментов ДНК (1983).

Blaise Pascal carries a barometer up a church tower and a mountain to determine that atmospheric pressure is due to a column of air (1648). Robert Boyle uses an air pump to determine the inverse relationship between the pressure and volume of a gas. This relationship came to be known as Boyle's law (1660–1662). Joseph Priestley suspends a bowl of water above a beer vat at a brewery and synthesizes carbonated water (1767). Antoine Lavoisier determines that oxygen combines with materials upon combustion, thus disproving phlogiston theory (1783). Antoine Lavoisier determines that chemical reactions in a closed container do not alter total mass. From these observations he establishes the law of conservation of mass (1789). Benjamin Thompson, Count Rumford demonstrates that the heat developed by the friction of boring cannon is nearly inexhaustible. This result was presented in opposition to caloric theory (1798). Humphry Davy uses electrolysis to isolate elemental potassium, sodium, calcium, strontium, barium, magnesium, and chlorine (1807–1810). Joseph Louis Gay Lussac studies reactions among gases and determines that their volumes combine chemically in simple integer ratios (1809). Robert Brown studies very small particles in water under the microscope and observes Brownian motion which was later named in his honor (1827). Friedrich Wöhler synthesizes the organic compound urea using inorganic reactants, disproving the application of vitalism to chemical processes (1828). Thomas Graham measures the rates of effusion for different gases and establishes Graham's law of effusion and diffusion (1833). Julius Robert von Mayer and James Prescott Joule measure the heat generated by mechanical work. This establishes the principle of conservation of energy and the kinetic theory of heat (1842–1843). Louis Pasteur separates a racemic mixture of two enantiomers by sorting individual crystals, and demonstrates their impact on the polarization of light (1849). Anders Jonas Ångström observes the presence of hydrogen and other elements in the spectrum of the sun (1862). François Marie Raoult demonstrates that the decrease in the vapor pressure and freezing point of liquids caused by the addition of solutes is proportional to the number of solute molecules present. This establishes the concept of colligative properties (1878). Svante Arrhenius studies the conductivity of salt solutions and determines that salts dissociate into ions in water (1884). Svante Arrhenius determines the impact of temperature on reaction rates and formulates the concept of activation energy (1889). William Ramsay and Lord Rayleigh (John Strutt) isolate the noble gases (1894–1898). Henri Becquerel, Marie Curie, and Pierre Curie discover radioactivity and describe its properties (1896). Mikhail Tsvet (Mikhail Semyonovich Tsvet) separates chlorophyll from other plant pigments using chromatography (1901). Frederick Soddy and William Ramsay observe the production of helium from alpha particles during radioactive decay (1903). Ernest Rutherford discovers that atoms have a very small positively charged nucleus in the gold foil experiment, also known as the Geiger–Marsden experiment (1909). Otto Hahn discovers nuclear isomerism (1921). Albert Szent Györgyi and Hans Adolf Krebs discover the citric acid cycle of oxidative metabolism (1935 1937). Otto Hahn and Fritz Strassmann discover the nuclear fission of uranium (1938). Glenn Theodore Seaborg and colleagues create and isolate five transuranium elements. They reorganize the periodic table to its current form. (1941–1950). Miller–Urey experiment demonstrates that organic compounds can arise spontaneously from inorganic ones (1953). Melvin Calvin and Andrew Benson delineate the path of carbon in photosynthesis using Chlorella and carbon dioxide labeled with carbon 14 (14CO2) (1945–1954). Erwin Chargaff disproves the "tetranucleoide theory" of DNA structure and determines that the composition of double stranded DNA follows the rule, %A = %T and %G = %C (Chargaff's rule). This discovery was critical to the formulation of the Watson Crick Model of DNA structure. Neil Bartlett mixes xenon and platinum hexafluoride leading to the first synthesis of a noble gas compound, xenon hexafluoroplatinate (1962). Robert Burns Woodward announces the total synthesis of Vitamin B 12 by a team he led (1973). Insights from this work lead him and Roald Hoffmann to formulate the Woodward–Hoffmann rules for elucidating the stereochemistry of the products of organic reactions. Frederick Sanger demonstrates the dideoxy or chain termination method for determining DNA sequences (1975). Kary Mullis demonstrates the polymerase chain reaction, a method for amplifying specific bits of DNA (1983).

Геология

Чарльз Мейсон проводит эксперимент вблизи шотландской горы Шиаллион, чтобы впервые определить среднюю плотность Земли. Этот эксперимент известен как «Эксперимент Шиаллиона» (1774 год).