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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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医学诺贝尔之路(1920):做研究?总有一款动物适合你  

2012-03-12 05:30:19|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:赵承渊

krogh_postcard.jpg别诧异,标题并非实验动物厂家的广告语。其实这句话的正规表述应为“面对数量如此众多的科学问题,总会有某些动物,或者这些动物的少数,最适合用于(这些科学问题的)研究”,原文出自丹麦生理学家奥古斯特?克劳格(Schack August Steenberg Krogh)发表于1929年的一篇论文,后人将这句话称之为奥古斯特?克劳格原理(August Krogh Principle)。由此原理引申出“模式生物”的概念:小鼠、果蝇、酵母还有大肠杆菌等就是最为人们所熟悉的模式生物。在科学研究中,模式生物的地位举足轻重,选择好的模式生物常常会使实验事半功倍。奥古斯特?克劳格原理还可以推广到器官、组织、细胞甚至分子水平。在生理学研究领域,克劳格完美并出色地实践了这一原则。

1874年11月15日,克劳格出生于丹麦日德兰半岛。幼时的他就对自然科学具有浓厚兴趣,并热衷于做各种实验。1893年克劳格进入哥本哈根大学攻读医学,然而没多久他就对动物学产生了极大兴趣并为之付出大量精力。后来,由于克劳格在动物学和生理学两方面的成就,哥本哈根大学干脆为他创立了一个“动物生理学助理教授”的职位,八年后这个职位转为普通席位,克劳格在此一直工作到1945年。

虽然早在17世纪,哈维就使世人初步了解了血液循环的规则,但直到19世纪,有关血液循环、物质交换的细节还是有很多尚待解决的谜题。例如,关于肺泡与血液进行气体交换的原理究竟是怎样的,当时就存在两种意见。一种认为,作为生命体,氧气的吸收和二氧化碳的排放是一个主动“分泌”的过程,类似腺体那样;其证据在于曾有实验表明,动脉血中的氧气分压要高于肺泡中的氧分压,根据气体从高压处流向低压处的原则,这种实验结果只能说明生命体的气体交换是一个主动吸收和排泌的过程。另一种意见则认为气体交换是被动的,完全遵守物理学弥散的原则。克劳格的老师,丹麦医生Bohr就持前一种观点。

作为Bohr的助手,克劳格也对这一问题进行了相关研究。他选择青蛙作为实验对象观察气体交换的情况。众所周知,青蛙通过经皮和经肺两种途径进行呼吸。在实验中克劳格发现,青蛙经皮呼吸的数值相对稳定,而经肺呼吸的部分则变异相当大。一开始,克劳格将此作为支持自己老师的证据:经肺呼吸的变化如此之大,不正好说明生命体在气体交换中具备“主动性”么。不过很快他就有了新发现:蛙肺的呼吸活动还与血管舒缩之间存在联系,而血管舒缩又与迷走神经相关。这一发现不仅动摇了他原有的立场,而且令他开始怀疑整个气体分泌学说。在自己妻子玛丽?克劳格的帮助下,克劳格设计了著名的微测压计,这种仪器十分灵敏,能够测量小到0.01毫升的微气泡内的气体分压。有了如此工具,克劳格可以轻松测定呼吸末肺泡内的气体分压,并与动脉血进行比对。事实证明,肺泡内的氧分压在任何时候都要高于动脉血氧分压,过去的实验结果有误。这意味着关于呼吸时“气体分泌”的假说不成立,肺泡内气体交换的过程还是完全遵守物理弥散的规律。至此,克劳格做出了他的第一项重要发现。

接着,克劳格又将目光转向组织对氧的消耗利用。尽管那时人们已经知道来自肺部富含氧的动脉血流经各个脏器组织后转化为静脉血回流心脏,但人体组织对氧气的摄取机制究竟如何仍不清楚。人们在长期的观察中发现,当进行体力活动时,呼吸速度加快,心跳频率增加,这表明人体组织,尤其是肌肉组织对氧气的需求也大大增加。既然毛细血管与组织的气体交换是通过被动弥散进行的,那么在体力活动时肌肉组织将比平静时消耗更多的氧,氧分压应该比平静时更低。而克劳格却惊奇地发现,即便是在重体力劳动中,肌肉组织中的氧分压也仅仅是轻微低于毛细血管内氧分压,这意味着在重体力活动时肌肉也得到了充分的氧气供应。如果毛细血管在高强度体力活动时是充满血液的,那么这种现象只能得出一个结论,那就是在平静时毛细血管并未全部开放。随着毛细血管开放数目的增加,气体的总弥散面积也随之增长,组织才能获得足够的氧供。

这是一个非常合理的猜想,但仍需富有说服力的实验结果来验证它。如果能亲眼见到活动时肌肉组织内毛细血管的开放情况,那么事实无疑将一目了然。好在克劳格是一位比较生理学大师,这次他又找到了验证自己假说的绝佳实验材料:蛙舌。受到针刺的蛙舌在显微镜下立即呈现出更多的毛细血管;当蛙舌回归平静时,毛细血管数目则大大减少。克劳格以这种方式验证了自己的推论,揭示了活动时肌肉组织血供的变化规律。这是克劳格做出的第二项重大发现。

在上述研究过程中,克劳格又注意到组织毛细血管的开放并非依赖动脉血压的上升。这表明毛细血管的舒缩调节受到其他因子的调控。通过研究,克劳格发现这种毛细血管的动力机制受到肾上腺素、可卡因等体液因子或药物的调节,并同时与神经系统相关。这些成果进一步完善了他关于毛细血管动力调节的理论,并主要体现在他撰写的《毛细血管的解剖与生理》(The Anatomy and Physiology of the Capillaries )一书中。

除此之外,克劳格还与他的老师Bohr共同发现了二氧化碳对血红蛋白氧结合力的影响;研究了环境温度对动物代谢的影响;观察了飞行昆虫的呼吸,著有《呼吸机制的比较生理学》(The Comparative Physiology of Respiratory Mechanisms)等多部专著。1929年在一篇论文中提到的奥古斯特?克劳格原理更为后人所津津乐道,他本人也被誉为“生理学家中的生理学家”。1920年,凭借对毛细血管生理调节机制的研究,克劳格荣获当年的诺贝尔生理学和医学奖。1949年9月13日,克劳格逝世于丹麦哥本哈根。

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