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科学松鼠会

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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(1923):殊途同归的研究  

2012-05-14 16:19:46|  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

当我们吃饭的时候,消化道是如何工作的?消化腺又是如何分泌消化液的?这些分泌和调节又是身体的哪部分、通过怎样的途径进行调节的?当我们不慎割伤了手臂,局部的血管和正常情况下又有什么不同?血液为什么会凝集,又为什么有时会血流不止?心脏为什么会不断跳动?睡眠时为什么呼吸不会停下?......生命活动中的种种现象总是人们非常感兴趣的话题。然而在过去的很长一段时间内,囿于技术水平落后或陈旧观念的束缚,类似上述的这些问题并没有得到合理的回答。生理学的大发展,仍然只是近一二百年的事。而对于以解除伤痛为天职的医学来说,没有“知其所以然”的生理学成果,也就谈不上恢复“正常”的生理功能。诺贝尔奖将生理学和医学并列,也应是出于这种考虑。

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1921年的诺贝尔医学奖由于没有出现满足遗嘱要求的候选人而空缺。一年之后,这项荣誉被来自英国和德国的两位科学家分享。他们所研究的课题是一个非常基础的生理现象:肌肉收缩。有趣的是,获奖人阿奇巴尔德?希尔(Archibald Vivian Hill)和梅耶霍夫(Otto Fritz Meyerhof)在这一问题上分别走了截然不同的研究之路。

人体在静息状态下,内脏是产生热量的主要部位。此时肌肉产生的热量与脑组织的产热量大致相当。而当机体运动和劳作时,由肌肉产生的热量可达全身总产热量的九成以上。在寒冷的冬季,我们往往有“瑟瑟发抖”的经历,这正是肌肉作为产热器官发挥保暖作用的时刻。既然肌肉收缩能够带来热量,那么从研究肌肉产热规律的角度入手,也许就能发现肌肉收缩的深层机理,这便是希尔的科研思路。不过,大量肌群的频繁收缩虽然产热量可观,但具体到一小块肌肉,例如实验用的蛙肌,其产热量就不容易测定了,好在前人已经针对这个难题做了充分的工作。1910年,希尔第一次利用Blix设计的热电偶检流计检测肌肉产热的规律。在实验中他发现,肌肉产热并不简单,产热量随着时间推移有着相应变化:一部分在初始时产生,还有一部分延迟产生。对此,希尔又进行了更为细致的观察,他分别测定了肌肉在各种状态下(收缩或舒张)的产热情况,并将肌肉收缩分为几个时相。在机械活动早已停止的最后一个时相中,热量仍在产生,若此时断绝肌肉供氧,则这种产热将不再出现。这个现象很有启示意义:众所周知,肌肉的收缩或者抽搐并不依赖氧气供应,没有氧并不妨碍肌肉完成动作;希尔发现的这种机械活动完成之后的、依赖氧的产热过程暗示了肌肉收缩后的一个恢复性氧化反应,尤其在肌肉疲劳时,这个反应更为明显。由于希尔的发现,研究者们开始更加关注静息和疲劳时的肌肉。

针对发生在肌肉收缩时化学反应的研究也由来已久。早在十九世纪中期,就有人发现离体肌肉在经过反复刺激后会变酸和变得僵硬。后来人们发现,这种令肌肉变酸的物质是乳酸。在希尔之前,已经有两位科学家发现离体肌肉不仅能产生乳酸,还能转化乳酸,后者取决于肌肉是否得到了足够的氧。可见,乳酸并非像之前人们所认为的那样仅仅是一种“代谢副产物”。希尔推测,在肌肉的代谢活动中,乳酸很可能作为一种重要的化学物质参与反应,肌肉中乳酸的产生与氧供没有关联,但乳酸的转化和燃烧则需要氧气的支持。

希尔关于乳酸和肌肉代谢的论断被另一位获奖者梅耶霍夫证实了。1918年,梅耶霍夫在研究组织的呼吸作用时将重点转向了肌肉组织的氧化代谢。在对肌肉组织的代谢情况做了一系列测定后梅耶霍夫发现,在肌肉收缩恢复期,氧气消耗要比同时发生的乳酸代谢高出1/3到1/4,同时这种氧气消耗也要大于实际产生的恢复期产热量。梅耶霍夫还对各时期肌肉中的碳水化合物与乳酸的含量进行了测定:当乳酸在肌肉中蓄积时,糖原等碳水化合物便消失了;而当乳酸减少时,碳水化合物同时增加,且增加的数量相当于消失的乳酸与氧化燃烧掉的乳酸的总和。实际上,在肌肉恢复期,大部分乳酸并未被燃烧掉,而是转化为碳水化合物储存了起来,转化与燃烧的比例大约为3/1。在缺氧的条件下,反复收缩的肌肉会不断蓄积乳酸,直至在两次收缩之间仍无法恢复,肌肉进入强直疲劳状态。

至此,有关肌肉收缩时的代谢细节终于有了一个较为清晰的脉络。在良好设备的帮助下,希尔利用物理学的办法找到并详细分析了肌肉产热的规律;而梅耶霍夫则从化学角度入手,经过仔细计算和定量实验阐明了乳酸在肌肉活动中的氧化和向糖原的转变。难得的是,两位获奖者在大多数时候并非协作的关系,而是分别独立地做出了自己的发现。研究方法虽然各有不同,但是却殊途同归,最终结果相互印证,堪称佳话。

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