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微生物学和化学的成长（第1页）

微生物学和化学的成长

在20世纪的帷幕刚刚拉开之际，物理学、化学和天文学的世界看起来很复杂，但生物学领域则更令人感到不可思议。正当化学家和物理学家深入钻进原子和亚原子的结构之中时，生命科学家沿着类似的道路继续前进，这条道路是要寻找生物体的特性以及它们如何行使功能的答案，最终，是要找到有关生命基础的答案。即使最简单的生物体，其复杂性都曾经困惑了人类好几百年（许多生物体实在太小，无法用肉眼观察）——从古代希腊人到17世纪的哈维和列文虎克，到19世纪的巴斯德和科赫。直至20世纪初，古老的问题依然未寻到解答：生命是什么?是什么原因使它们区别于岩石、污泥，或者星星?是什么在维持它们?它们是如何行使功能的?在不同的机体中，生命内在的过程是什么?

数百年来，研究者一直在试图找到更多有关生物体是怎样工作的证据，他们大多从外部形状着手。在古人中，像亚里士多德和普林尼这样的思想家都首先关注形态学，或者外部形状。后来的科学家，诸如17世纪的哈维，把观察和实验原理运用到生物体上，开始注意器官和器官系统，诸如循环系统，是怎样在生物体内工作的。

后来人们认识到器官都是由组织构成的，19世纪施莱登（MatthiasJakobS，1804—1881）和施旺（TheodorS，1810—1882）认识到一种类似于盒子的结构，他们称之为“细胞”，一切组织，当然也包括一切器官和生物体——植物和动物——都是由细胞构成的。当接近20世纪时，生物学家，越来越向着微观领域进军，实验技术开始对生物学家发挥前所未有的作用。他们发现，像巴斯德和科赫所面对的细菌之类的微生物更容易研究，并有助于探究生命的基础——这是所有生物学研究都关注的一个关键性问题。

自从牛顿时代以来，当生命科学家第一次试图把在物理学中如此有效的力学概念也运用到生命世界时，随即引起了一场持久而又深远的争论。许多生命科学家反对这种纯粹的唯物主义方法。他们觉得，生命不同于化合物的酿造或杠杆及活塞的组合。他们相信，生命有别于岩石、行星和恒星。其间似乎更像有某种“生命”力存在着。因此，从他们的观点出发，就导致了所谓的“活力论”（vitalism）。1895年，生命科学界分裂了。难道生物有什么特殊的地方吗?他们迷惑了。生命难道果真具有某种维持生命的“精气”、灵魂或者生命力?或者与无生命的物质一样，仅仅是原子和分子的集合体，跟桌子、货车或者陨石一样遵循所有的物理定律?对于许多人来说，后者似乎是既不可能，又太放肆了。

毕希纳的策划

凯库勒在1861年出版的《有机化学教程》第一卷中，把有机化合物定义为仅仅是含有碳的化合物。他没有提及生命力或其他与众不同的特征。这是第一次不把有机物看成是含有生命力，而是跟任何其他物质完全一样，按化学元素来进行考查。

许多人发现凯库勒的做法太令人不安了，争论的双方都出现了分歧。然后在1897年，正当20世纪就要开始时，德国化学家毕希纳（EdouardBuer，1860—1917）做了一个实验。发酵历来被看成是一种生命过程，是一种只有在活细胞内才能发生的化学反应，所以，毕希纳收集了一组已知与发酵有关的酵母细胞，把它们掺上沙子一起研磨，直至绝对不可能再有活细胞为止。然后，为了双重保险，他又把研磨过的物质进行过滤，获得了完全没有细胞的液汁。

接下来的事情完全出乎毕希纳的预料：他原先设定，在细胞不在场的情况下，不会产生发酵。他仔细地把调制好的液汁置于不受任何活细胞污染的状态——否则他的实验就不能算是好的试验。然后加进糖的浓溶液，这是公认的不受微生物污染的好方法。但使他大为惊奇的是，不含细胞的酵母液汁和糖的混合物竟开始发酵了!许多人曾经认为是生命过程的现象竟发生在绝对无活物的混合物中。毕希纳进一步做下去。他用酒精杀死酵母细胞，发现已死细胞竟然和活细胞一样容易使糖发酵。这些结果既令人惊奇，也令人兴奋，于是1907年，毕希纳因此而荣获诺贝尔化学奖。

活力论者（甚至包括毕希纳本人）曾经坚信，所有这些都是不可能的。但结论却是非常明确：“酵素”，当时人们这样称谓发酵的媒介，实际上是死的物质，可以从活细胞中离析出来，尽管它们常常见于活细胞里。这些物质可以在实验室的试管里发挥功能。

现在人们已普遍接受这样的看法，即生命遵循管辖无生命世界的那些定律。但是1897年毕希纳的小小实验对于正在研究活着的生物体的人们来说，却是革命性的突破。从他的工作中，生物学家和化学家都获得了信心，相信生物学问题本质上决不超越实验检验和理解的范畴。和无生命世界的现象一样，生命过程即使没有生命，也有可能通过科学实验和观察寻求答案。这就为细胞化学的机械论研究作好了准备。

有关活力论的哲学论战肯定还会继续下去。1899年，德国博物学家海克尔（ErnstHeinrichHaeckel，1834—1919）发表了一种观点，认为心灵，尽管是创造的产物，却从属于人体，并且在人体死后就不再存在。（他还是第一个运用“生态学”一词来描述关于生物体互相问以及跟它们周围环境间关系的研究）对于许多人来说，这样的论点远远超越了现有的证据，而与之对立的传统观念又太强。另一些人则认为它是有意义的。与活力论观点相反的证据在不断积累，但是整个20世纪，科学家不断在寻求下列问题的答案：什么是生命?生命又是怎样开始的?

人体化学

毕希纳1897年的突破性实验为生命科学富有成效的实验研究奠定了基础，实质上它还建立了一个新的领域，通过把化学和生物学结合在一起，从而形成生物化学这一领域。现在发生在细胞内的化学过程可以在实验室里用试管在细胞之外研究了，因为毕希纳已经证明，细胞本身对于其中发生的反应并没有特殊的贡献。在这一实验的基础上还创建了内分泌学领域关于内分泌腺（ductlessgland）及其分泌功能的研究。

1901年，日本的高峰让吉（JokichiTakamine）发现一种叫做肾上腺素的物质，由肾上腺所分泌。肾上腺是位于肾附近的一种内分泌腺。高峰让吉不仅把这种与血管收缩和血压升高的物质离析出来，而且还成功地合成了它，这对于活力论者无疑是又一打击。

与此同时，英国有两位生理学家贝利斯（WilliamBayliss，1860—1924）和斯塔林（Erarling，1866—1927）也正在对胰腺做实验，胰腺是大而软的消化腺。他们发现，即使切断所有通向胰腺的神经，但每当胃酸和胃内食物被排入小肠时，它仍然会分泌消化液。1902年，他们成功地找到了原因。原来小肠里的酸导致小肠腔壁分泌一种叫做胰泌素的物质。这一物质通过血液传到胰腺，触发胰腺分泌消化液。贝利斯和斯塔林认识到，胰泌素和高峰让吉发现的肾上腺素都是化学信号系统的一部分，他们称这些化学信号为激素，也叫荷尔蒙（hormones，取自希腊语horman，意即催化）。

这些化学信号都是特殊的蛋白质，由躯体中某一腺体分泌，通过血液传送到躯体另一部分的特定细胞中，以调节各类反应过程。贝利斯和斯塔林的工作确立了激素的重要性，他们的激素新理论被证明非常有效，并且为处理一类致命病症打下了基础，这些病症，从古代以来就一直在侵袭并杀害人类。

糖尿病（diabetes），意思是“穿越而过”，是古希腊人给这种病症起的名字，因为患者需要饮用大量的水，它们似乎从身体直穿而过。罗马人加了mellitus一词，表示“甜蜜”，因为患者的尿不正常地甜——甜到竟能吸引苍蝇。

至1920年时，人们才知道糖尿病人尿的甜蜜是由于葡萄糖含量过高所致，患者的血液也是如此。还有，当实验动物的胰腺被割除后，动物出现的症状非常像糖尿病。所以，在贝利斯和斯塔林的工作和这些新发现的基础上，人们高度怀疑这种疾病是由于缺乏胰腺分泌的激素引起的，这种激素可以调节血液中的葡萄糖含量。缺少了这种激素，葡萄糖增多，糖尿病就发生了。这种还未发现的激素甚至有了一个名字，叫胰岛素。

尽管有人也许并不认为正是班廷（FrederitBanting，1891—1941）解决了这一古老问题，但是班廷却想出了一个办法。毕业于医科学校并从军事服役返回后的班廷，作为一名年轻的加拿大医生，刚刚开业。同时他还在一家医学院担任部分教学。1920年的一天，当班廷正准备讲课笔记时，《科学》杂志上一条消息引起了他的兴趣。这篇论文说，如果胰腺从肠子处结扎，以至于不能通过管道输送消化液时，它就会萎缩。他激动得立即写下了一条备忘录：“给狗结扎胰腺导管。等候6到8个星期使之退化。去掉残液和浸出物。”班廷推想，用这样的办法，他应该可以从萎缩的胰腺中离析出胰岛素，同时避开有破坏性的消化液。但是班廷没有研究资源，也没有实验室。

于是，他动身前往多伦多大学，糖尿病专家麦克劳德（JohnMaeleod，1876—1935）在那里当生理学系系主任。班廷向他略述了自己的想法，问他实验室有没有地方可以做8个星期的实验。然而麦克劳德拒绝了班廷的请求。第二次请求再次被拒绝。但第三次成功了。麦克劳德最后同意在他度假时，让班廷用他的实验室。他甚至还提议一个刚刚进入医学院的年轻学生当班廷的助手。这个学生名叫贝斯特（CharlesHerbert．Best，1899—1978），他立即同意参与这一计划。尽管班廷常常依赖暑期打职业棒球来赚些钱，不过他想，刚刚从军队得到的退伍费，应该足以偿还债务。

尽管在实验中要用到狗，但是他们对狗非常仁慈，给予爱心和关注。结扎胰腺要进行手术，但班廷用了麻醉药，在狗的康复过程中，他们就像照顾病人一样地细心。遗憾的是，第一次手术没有做好，他们结扎胰腺管道的羊肠线断裂了，那些狗没有出现任何症状，当他们知道这一错误时，几个星期已经过去了。与此同时，钱也用光。于是，班廷卖掉他那破旧的福特车，用以购买食物，供实验人员以及狗食用。最后终于有一条名为Marjorie的狗，他们用丝线给它结扎，在1921年的7月底出现了糖尿病症状。这两位年轻的科学家把它的胰腺取出来，果然不出所料，胰腺已经萎缩了。他们把胰腺研磨成粉，溶在盐溶液里。再给这条狗注射这一溶液，所有的糖尿病症状全都消失。

当麦克劳德从度假地返回时，令他大为惊讶的是，班廷和贝斯特竟离析出了胰岛素。于是，麦克劳德和柯里普（JamesCollip，1892—1965）也加入到了研究小组中来，他们的工作是纯化激素，使之符合标准。1921年11月，班廷和贝斯特在一次科学会议上报告了他们的发现。但是，在随后的活动中，麦克劳德作为系主任，在许多报告中得到了荣誉，1923年，当诺贝尔奖奖励这项成就时，授予的不是班廷和贝斯特，而是麦克劳德和班廷。班廷因为贝斯特不在内而大怒，麦克劳德想的却是柯里普的工作应该得到承认。因此，就像经常发生的那样，他们每人得到的40000美元的奖金都与他们的同事作了再分配。胰岛素很快就投入生产，以满足医生的需要，这是第一次对糖尿病有效的新治疗方法。

微小的世界

传统上，生命科学中的许多问题都是由于医学需要而引起的，目的是让我们生存并且生存得好些。所以医学研究——通常都认为是一种“应用科学”——往往与理论进展齐驱并进，经常起到引导作用。在20世纪前半叶，和过去一样，或者更甚于过去，正是对健康的追求推动着对知识的追求。

18世纪90年代，詹纳引进了第一支疫苗，他把正在出牛痘的女孩皮肤上的水泡中的**，接种到一个健康男孩身上。牛痘是一种类似于天花的疾病，但更为温和。可以说这是医学史上最为冒险的一次实验，他使该男孩与天花直接接触，好在那个男孩并没有染病。（但是，如果詹纳的设想不正确，这个男孩就会轻易死去。天花是一种致命的疾病，在大流行时，欧洲每三个人中就有一个死于天花）詹纳的实验成功了，这就首次导致一种有效的疫苗得以诞生，而詹纳成了英雄。

但是当时没有人确切地知道，为什么天花疫苗有效，或者是什么因素引起这种或者那种疾病。在大多数情况下，医生无能为力，只能处理症状，让疾病走完全程，并安慰那些死里逃生的人。

最后，巴斯德在19世纪60年代作出了重大突破，他提出了“细菌学说”，从而确认微小的生物体是引起传染性疾病的媒介。1876年，科赫发现了一种细菌——取名为芽孢杆菌蒽属，它是造成可怕的炭疽病的原因，这种病会杀灭整群的家畜，还会传播到人群中，2001—2002年间在美国发生的炭疽邮件就是一例。科赫的发现首次在疾病和微生物之间建立了明确的联系——微生物是如此之小，只有在显微镜的帮助下才能看见。

到了19世纪90年代，好几种细菌被识别并确定它们与某些疾病和传染病相关，还找到了消灭它们或者至少控制其传播的新方法，并引进到医院和外科手术中。但是还有一些疾病依旧难以解释，似乎更难对付。狂犬病就是其中之一。巴斯德推测，也许与之有关的生物体小到这样的程度，即使通过显微镜也难以看到。还有一种疾病叫花叶病也难以解释，这种疾病感染烟草植物。早在1892年就有人建议，这种病是由于能够穿过最细微的过滤器的某种东西引起的。

这时出现了一位荷兰植物学家名叫拜尔林克（MartinusBeijerinck，1851—1931），他是烟草商的儿子，受过植物学和化学两方面的训练。1895年，他做了一个实验。先从感染了花叶病的烟叶中挤出液汁，然后仔细检查其残液，希望找到所谓的细菌。但是他一无所获。他又仿照培养细菌的方法培养残液，但什么也没有培养出来。但是，如果健康植物接触到这一残液，就会感染上花叶病。如果没有细菌在场，那又是什么引起感染?他把残液经过滤器过滤，过滤器是如此精细，任何已知的细菌都会被它除掉。但是残液仍然感染健康植物。

拜尔林克想，也许疾病是由于某种毒素。但也不是，因为他发现疾病可以在植物之间相互传染——他的结论是，无论它是什么，但它一定是正在生长和繁殖的东西。

1898年，在经过反复的试验之后，拜尔林克发表了他的观察结果，宣布烟草花叶病是由于一种感染媒介引起，这种媒介并不是细菌，他称之为可过滤的病毒（virus，来自希腊语“毒”）。于是他发现了一系列传染媒介，后来证明是许多动植物疾病的根源，其中包括人类的黄热病、脊髓灰质炎、腮腺炎、水痘、天花、流行性感冒以及普通的感冒。但是，甚至又过了一代，生物学家仍然没有识破病毒的结构。

最后在1935年，美国生物化学家斯坦利（Weanley，1904—1971）作出了突破性的工作。他把大量已经感染疾病的烟草叶捣碎，然后采用结晶方法，这种方法曾用于其他蛋白质身上，从而证实烟草花叶病病毒确是蛋白质分子，最后他成功地获得了一组外形像针一样的精细晶体。他分离出这些晶体，发现它们的感染能力与病毒的感染特性恰恰吻合。

对于许多人来说，这恰恰证明，必须接受这样一个令人难以置信的信息：病毒是活的，难道不是吗?它们在细胞里可以自行复制——这是识别生命的关键标准之一。但是，斯坦利却像其他科学家结晶非生命化合物那样，居然结晶出显然是病毒的物质。这一新闻似乎使病毒置于生物与非生物之间的虚幻之地。这是一个混乱而又使人不安的思想。当人们试图对病毒进行归类时，争论一触即发。古老的关于什么是生命、什么不是生命的论战再次引发。

当20世纪40年代的研究进一步证实病毒既含有蛋白质，又含有核酸的事实时，故事又有了后戏。仅就核酸而言，很快就弄清楚，它可以改变菌株的某些物理特性。生物化学家第一次开始把核酸看成是遗传信息的可能携带者，我们将在第七章“追踪遗传学和遗传现象之踪迹”进行讨论。现在对病毒及其遗传现象的研究已经开始出现——这一趋势在第二次世界大战之后的20世纪下半叶将会产生更大的成果。

与此同时，20世纪上半叶，研究者更多关注微生物的生理机制，以及如何摧毁它们的生命功能，从而克服由于它们造成的疾病。在这一过程中，他们发现了大量一般意义上的生命功能。

埃利希和“魔弹”

埃利希曾这样宣称：“只要一个水管、一束火焰和一些吸墨纸，我就可以在一片空旷的地方工作。”然而，他要进行真正的思考，似乎还需要大量的矿泉水和雪茄烟，他烟不离口。确实，雪茄烟对于他的思维过程来说是如此重要，每当他外出时，不仅手中要拿着烟，还要藏一盒在衣袖里。