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1951年，屠呦呦考入北京医学院（后改名为北京医科大学，现为北京大学医学部）药物学系，选择当时一般人不太了解的生药学专业为第一志愿。
1955年，屠呦呦大学毕业，被分配到卫生部（现为国家卫健委）直属的中国中医研究院（现为中国中医科学院）中药研究所工作。由于屠呦呦在大学时所学的专业属于西医，单位送她参加卫生部举办的“全国第三期西医离职学习中医班”，用两年半的时间系统地学习中医药。那时，屠呦呦自己也不曾想到，她的这些中西医相结合的学习背景，为她日后发现青蒿素打下了重要的基础。
▎作为中国大陆第一位自然科学领域的诺贝尔奖获得者，屠呦呦真正了结了多年以来国人的“诺奖情结”
她入职时正值中医研究院初创期，条件艰苦，设备奇缺，实验室连基本通风设施都没有。除了在实验室内“摇瓶子”，她还常常“一头汗两腿泥”地去野外采集样本，先后解决了中药半边莲及银柴胡的品种混乱问题，为防治血吸虫病作出贡献。
1965年，越南战争升级。美、越两军苦战在亚洲热带雨林，疟疾像是第三方，疯狂袭击交战的双方，万千官兵逃过枪林弹雨，却被疟疾击倒，即使活下来，也丧失了战斗力。
疟疾是威胁人类生命的一大顽敌，病原疟原虫是一种单细胞生物。它潜于雌蚊体内，雌蚊叮人时，长梭形孢子随雌蚊口液注入人体。孢子进入人体后随血流前进，首先侵入肝细胞，以肝细胞的胞质为营养，在肝细胞内发育和裂体生殖，然后溢出坏死的肝细胞，钻入红细胞，再在红细胞内继续生长、裂殖。人体大量红细胞破裂，加之裂殖代谢物释放到血液里，引起人体一系列生理反应，如高热、寒战、贫血、脾肿大，直至死亡。这是一种古老的疾病，蚊虫肆虐处，总有它的魔影，当年马其顿大军将近一半的兵马因疟疾死在印度的雨林里。对付疟疾，原有喹啉类药物。此药临床实用于1947年，初期疗效不错。十几年下来，一些疟原虫对该药产生了强烈的抗药性，而新药又没跟上，疟疾重新称霸。
为战胜疟疾，美国投入巨额科研经费，并动员西方各国制药力量，像研发战争武器那样，为侵越部队研制抗疟新药。美国筛选了近30万个化合物而没有结果。相比之下，越南军队连一点喹啉类的药物也没有，战争摧毁了这个国家的经济，越南政府唯一的办法就是向中国政府紧急求援，恳求中方派出医疗队。与越南同属社会主义阵营且紧密相邻的中国，给越南提供了巨大的支持和援助。时任解放军军事医学科学院微生物流行病研究所副所长的周义清，就在那时作为援越抗美的医疗专家进入越南战场。
这并不是周义清第一次上战场。1945年，周义清16岁时就参了军，在部队当卫生员，解放战争中经常出没在枪林弹雨中。早已习惯了战火硝烟的周义清，在越南战场上却发现了比子弹、炸弹更可怕的“敌人”——抗药性恶性疟疾。越南部队因疟疾造成的非战斗减员远远超过了战斗造成的伤亡。周义清记得，越南部队开赴南方战场，经过一个月的长途行军，有的团级部队真正能投入战斗的只剩两个连。其余都是因为感染疟疾，或死于行军途中，或被送往后方治疗。
当时，中越的政治关系是“同志加兄弟”。越南国家主席胡志明亲自到北京，向毛泽东主席提出请中国支援抗疟疾药物，提供治疗方法。在革命战争时期曾感染过疟疾、深知其害的毛泽东回答说：“解决你们的问题，也是解决我们的问题。”随后，毛泽东对越方的求援作出批示，周恩来总理随即下令，以军工项目的名义紧急研制“抗美援越”的抗疟新药。
中国军事医学科学院立即行动起来。该院科研人员中西医并进。一是以现有喹啉类西药为基础，力求合成新药；二是研发中药常山碱。两年下来，两条路皆为死胡同。研发西药是西方国家的强项，美、英、法、德、比、瑞（士）所有大药厂加起来都开发不出有效的抗疟西药，基础薄弱的中国想在西药上有所建树谈何容易？再就是选材失误，常山碱被发现毒性太大，不宜使用。
越南战场医疗抢救方面频频告急。1967年5月23日，周恩来总理再次就研发抗疟新药问题作出批示，并在军事医学科学院内特设“全国疟疾防治研究领导小组办公室”（代号“523办公室”），要求调动全国的力量，大打一场研发抗疟新药的战役。
一时间，广西、云南等七省市的医药力量被动员起来，60多家科研机构超过500名科研人员协力攻关，开展了包括中草药在内的抗疟疾药研究，先后筛选化合物及中草药达4万多种，也没有取得阳性结果。“人海战术”在科技研发上并非有用，科技研发更需要专业上的精英和天才。
1969年1月，北京广安门医院一位参与抗疟研究的针灸医生，向“523办公室”负责人推荐说：“中医研究院的屠呦呦是个兼通中西医的人才，研发新药应当去找她。”研发目标久攻不下，“523办公室”求贤若渴，正、副两位主任立刻前往中医研究院。
“文化大革命”期间，凡事必政审。一政审，屠呦呦有“问题”，中医研究院造反派极力反对说：“屠呦呦有海外关系，不能参与中央布置的军工项目。”“523办公室”两位负责人查阅屠呦呦工作业绩，发现屠呦呦大学毕业参加工作仅3年，就在防治血吸虫的生药学研究上创出两项成果，被评为“社会主义建设积极分子”，于是毅然决定起用屠呦呦。
屠呦呦感谢党对她的信任，又听说这是毛主席、周总理批建的项目，从此一心扑在抗疟的科研上。当时分配给屠呦呦的任务有两个：一是寻找新药；二是仍在中药常山碱上做文章，想办法去掉常山碱的毒性，解决服后呕吐的问题。
在大多数学术权威都被打倒的情况下，屠呦呦在1969年1月21日被中国中医研究院任命为科研课题攻关组组长，参加“523”项目，负责中草药抗疟疾的研究，小组成员还有余亚纲、顾国明、钟裕容等。此时，为了不影响研究，她把不到4岁的大女儿送到别人家寄住，把尚在襁褓中的小女儿送回宁波老家，带领小组开始查阅医药典籍，走访老中医，埋头于那些变黄、发脆的故纸堆中，寻找抗疟药物的线索。
耗时3个月，从包括各种植物、动物、矿物在内的2000多个方药中整理出640个，编成《疟疾单秘验方集》，送交“523办公室”。然而不知为什么，《疟疾单秘验方集》并未引起有关部门的重视。屠呦呦等不到下文，只好自己去实践。她从集子里筛选了一批方药做鼠疟的实验，可惜试过一批又一批，最终选出的胡椒“虽然对疟原虫的抑制率达84%，但对疟原虫的抑杀作用并不理想”，而“曾经出现过68%抑制疟原虫效果”的青蒿，在复筛中因为结果并不好而被放弃。
这时，她已摸到了成功的大门，不幸又与之失之交臂。古人在古籍中只说青蒿驱疟有效，并未说明青蒿入药的是哪一部位，是根，是叶，还是茎？更没说哪个地区、哪个季节的青蒿最好用，加之她择取青蒿的范围也十分有限，只能是北京药店的现货，因此实验中她看到的是疗效不稳，还有毒性。
至此，屠呦呦有点犹豫了，全国最精尖的科研部门、七省市的同行们试过数万个方药都没成功，自己的科研小组地处北京，药材来源仅限于药店里，能搞出什么结果？这时，屠呦呦被调到海南疟区实验室工作半年。在那里，屠呦呦目睹了疟魔的猖獗。尤其是脑疟，一个壮劳力，病情发作起来立刻就被击倒。显微镜下，患者一滴血液中密密麻麻全是疟原虫，临床称为“满天星”。这样的患者很少能够挺过来。想到越南雨林中备受疟魔摧残的越南军民和在那里抗美援越的中国军人，以及世界上生活在疟区中的亿万人口，屠呦呦深感医药工作者肩负的责任重大，决心要把这项工作进行到底。
然而，从海南回到北京后，因为政治运动，屠呦呦的工作被迫中断。
1971年，越南战争进入最残酷阶段，同时国内南方地区也有抗疟的巨大需求。是年年初，卫生部、解放军总后卫生部和军事医学院等组织全国抗疟队伍在广州召开抗疟誓师大会。周恩来总理给会议发来电报，再次作出重要指示，要求加大研制抗疟药物的力度，全国抗疟的高潮再次掀起。
屠呦呦参加了这次大会。会后她的工作得到有关部门的进一步重视，加大了动物实验的规模。“当年，全世界都面临着这样一个重大课题，必须要有新的抗疟新药来解决老药的抗药性问题，国内外做了大量工作都没有满意成果。”回忆与青蒿素的第一次接触，屠呦呦的眼神清亮，语气中不乏兴奋和自豪。
屠呦呦说，当年研究的难点在对青蒿科属的选择上——到底应该是哪种植物，提取方法上也需要突破。当时，青蒿素的提取仍是一个世界公认的难题，从蒿族植物的品种选择到提取部位的去留存废，从浸泡液体的尝试筛选到提取方法的反复摸索，屠呦呦和同事们熬过了无数个不眠之夜，体会过无数次碰壁挫折。