书城科普读物奇妙的发明(科学知识大课堂)
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第29章 生物大发明(3)

1838年,施莱登开始研究细胞的形态及其作用。同年他发表了《植物发生论》一文。在论文中,他提出:无论怎样复杂的植物体,都是由细胞组成的,细胞不仅自己是一种独立的生命,而且作为植物体生命的一部分维持着整个植物体的生命。

在1838年10月的一次聚会上,施莱登把还未公开发表的《植物发生论》中对有关植物细胞结构的情况,以及细胞核在细胞发育中的重要作用等方面的认识告诉了同在缪勒实验室工作的施旺,引起了施旺的兴趣。

施旺于1810年生于莱茵河畔的诺伊斯,父亲是一个金匠。施旺中学毕业后去学医,1834年获得博士学位后,成为著名生理学家缪勒的助手。在缪勒的指导下,他对较多的学术领域产生了兴趣。他曾研究过组织学、生理学、动物学、微生物学,并作出了不少贡献。例如,他曾发现胃蛋白酶;他还发现了神经纤维周围的纤维细鞘,后来该纤维细鞘被称为“施旺神经鞘”。

与施莱登的会面,使施旺猛然想起从前在观察蝌蚪背部的神经索细胞和软骨细胞时,发现它们都具有细胞膜、细胞质和细胞核。这时他便意识到,也许在植物体中起着基本作用的细胞,在动物体内也有着相同的作用。施旺对一些特化的组织,如上皮、蹄、羽毛、肌肉组织、神经组织等进行研究,得到的结论是:无论什么组织,尽管它们在功能上是不同的,但它们都是由细胞发育而来或是细胞分化的产物。

1839年,施旺发表了题为“动、植物结构和生长的相似性的显微研究”的论文,指出一切动、植物组织,无论彼此如何不同,均由细胞组成。他写道:“我们已经推倒了分隔动、植物界的巨大屏障,发现了基本结构的统一性。”他认为,所有的细胞无论是植物细胞还是动物细胞,均由细胞膜、细胞质、细胞核组成。

在1838~1839年,施莱登和施旺分别发表了植物细胞和动物细胞基本认识的专著。他们两人取得完全一致的看法,创立了细胞学说(cell theory),即一切植物和动物都是由细胞构成的,细胞是生命的结构和功能的基本单位。

细胞学说一经确立,马上显示出其生命力,大大促进了生物学的发展,十几年里迅速被推广,并日臻完善。细胞学说的提出对生物科学的发展具有重大的意义。恩格斯说:“有了这个发现,有机的有生命的自然产物——比较解剖学、生理学和胚胎学才获得了巩固的基础。”细胞学说与达尔文的进化论和孟德尔的遗传学被称为现代生物学的三大基石,而实际上可以说细胞学说又是后两者的“基石”。细胞学说在哲学上也具有重要的意义,它使千变万化的生物界通过具有细胞结构这个共同的标准特征而统一起来。同时有力地证明了生物彼此之间存在着亲缘关系,为生物进化理论奠定了基础。恩格斯认为细胞学说的建立是最令人信服地检验了辩证唯物主义的正确性。他把细胞学说、进化论、能量守恒和转化定律列为19世纪的三大科学发现。

此后,在细胞学说的基础上,人们对生物界进行了更深入的研究,发现了细胞的全能性,即任何细胞都具有发育成完整个体的潜在能力。根据这一理论,人们发展了组织培养、克隆技术等高科技的生物技术。

血型的发现

血型的研究过程从一开始就和输血疗法密不可分。人们通过研究和总结人类300多年以来输血历史的成功与失败的经验,最终发现了人的血液可以分成不同的类型,为安全、有效地使用输血医疗方法铺平了道路。因此,我们要想了解血型的发现过程,就必须先从输血的历史谈起。

1665年的一天,英国科学家查理·罗尔看到一条小狗出了意外,失血过多,小狗濒临死亡。查理·罗尔灵机一动,想出了一个可能拯救小狗生命的方法。他尝试着将一条健康狗的血管间接地与那条奄奄一息的小狗的血管连通,过了一会儿,奄奄一息的那条小狗神奇地起死回生了。查理·罗尔的这种使血液得到补偿的有效方法,使人们第一次认识到在不同个体间输血是可能的。这个300多年前的实验是后来输血术发展的萌芽。

1668年,在法国医生丹尼斯的诊室里,一位年轻的妇女恳求医生把羔羊的血输入她性格暴戾的丈夫的身体里,她的丈夫也很想通过输血,让羊羔温顺的性情改变自己暴戾的性格。因为在古代,人们曾将血液视作是“灵魂的主宰”、“性格的象征”,因此当时的人们有这种想法也是可以理解的。丹尼斯医生出于无奈,被迫答应了他们的请求,开始进行人类历史上第一次为人体输血的工作。但是很不幸,就在为这名男子输入羊血时,悲剧发生了,这名男子突然心跳加快,痛苦万分,最后在一阵歇斯底里的狂躁后死去了。丹尼斯医生因此被人指控为“过失杀人”而入狱,从此再也没有人敢采用输血的技术了。

1818年,有一天英国的生理学家兼妇产科学家詹姆士·博龙戴尔医生接收了一位难产的孕妇。在孕妇生产时突然发生了大出血,怎么办?如果不及时给孕妇输血,她就必死无疑。善良的詹姆士医生为了拯救孕妇的生命,在征得孕妇丈夫的同意后,果断地作出决定,立即为孕妇输血。在丹尼斯医生输血事件沉寂了150年后的这一天,詹姆士将一名健壮的男子的血输给了那位失血过多的产妇,终于使她得救了。同年12月22日,詹姆士医生在伦敦医学年会的讲台上作了人与人之间输血成功的第一例报告。但随后的多次实验证明并非每个受血者都能够获得救治,甚至有的还出现严重的生理反应而加速了死亡。看来输血技术还存在许多理论问题未能得到解决。

在以后的几十年里,许多科学家都在思考着这样一个问题:“为什么有的人输进别人的血安然无恙,而有的人却会出现不良反应,甚至导致死亡?”这个问题同样也困扰着奥地利医生卡尔·兰德斯坦纳。有一天,他终于想到:会不会是输入的血液与受血者身体里的血液混合产生病理变化,而导致受血者死亡?1900年他用22位同事的正常血液交叉混合,发现红细胞和血浆之间发生反应,也就是说某些血浆能促使另一些人的红细胞发生凝集现象,但也有的不发生凝集现象。于是他将22人的血液实验结果编写在一个表格中,通过仔细观察这份表格,发现表格中的血型可以分成3种:A、B、O。

1902年,兰德斯坦纳的两名学生把实验范围扩大到155人,发现除了A、B、O三种血型外还存在着一种较为稀少的第四种类型,后来称为AB型。到1927年经国际会议公认,采用兰德斯坦纳原定的字母命名,即确定血型有A、B、O、AB四种类型,至此ABO血型系统正式确立。兰德斯坦纳也因贡献的意义重大,在1930年获得诺贝尔医学及生理学奖。

人类的红细胞含有两种凝集原,分别叫做A凝集原和B凝集原,人类血清中则含有与凝集原对抗的两种凝集素,分别叫做抗A凝集素和抗B凝集素。按照红细胞所含A、B凝集原的不同,把人类血液分为四种类型:凡红细胞只含A凝集原的,就叫做A型;红细胞中只含B凝集原的,叫做B型;红细胞中A、B两种凝集原都含有的,叫做AB型;红细胞中A、B两种凝集原都不含有的,叫做O型。同时,从调查研究中还证明,每个人的血清中都不含有与他自身红细胞凝集原相对抗的凝集素。因此,A型人的血清中只含有抗B凝集素,B型人的血清中只含有抗A凝集素,AB型人的血清中两种凝集素都没有,O型人的血清中则两种凝集素都有。

凡是互为对抗的凝集原与凝集素相遇,血液就会发生凝集,而导致受血者死亡。输血的时候,主要是考虑献血者的红细胞与受血者的血清之间是否会发生凝集反应。按这个道理就可以推断出A、B、O、AB血型之间在输血时的相互关系。

科学是无止境的,对于血型的研究也不例外。1940年,兰德斯坦纳与维纳用恒河猴的红细胞注射到豚鼠腹腔,经反复注射后,发现豚鼠血清中出现了抗恒河猴红细胞的抗体(即RH抗体)。用含有RH抗体的血清与人的红细胞混合,发现有85%的白种人血液发生凝集,说明这些人的红细胞中含有RH抗原,故称RH阳性血型;另外15%的人的血液不凝集,说明其红细胞不含RH抗原,故称RH阴性血型。这样另一套血型系统产生了,即RH血型系统。其实在人类的血型中还有很多的秘密,相信随着科学技术的进步,经过科学家们不懈的努力,人类定会在人与人之间的血型分类、鉴别上得出更加深入和细致的结论。

人体激素的发现

为什么有人天生矮小,甚至有些人会得某种奇怪的病如侏儒症、糖尿病等。为什么人在生长到某一年龄阶段会出现不同的生理特征,如生长、发育、生殖、新陈代谢等。那么,人又是怎样维持生命的正常运行的呢?

1902年,英国生物学家威廉·贝利斯和欧内斯特·斯塔林从小肠黏膜提取液中发现了促使胰脏分泌的“肠促胰液肽”。他们根据这种物质的生物活性,将它命名为“激素”,其拉丁文原意为“我激起活性”;它的另外一个名字叫“荷尔蒙”,在希腊语中的意思为“兴奋”。正是由于在人和动物体内经常分泌着具有不同专一生理功能的激素,调节控制着生命体的生长、发育,从而使得生命发生一系列变化。激素不通过导管,而是由血液运送到生命体的各个器官组织,形成内分泌。人体内如缺少某种激素,便会发生病变。侏儒症就是由于人体中脑下垂体分泌生长素不足造成的,糖尿病的发生则由于胰岛素分泌不足。

1905年,贝利斯和斯塔林明确提出了激素在血液中起化学信使作用的概念,从而使20世纪人类对各种腺体提取液的生理和病理研究,取得了不少成效。在将近40年的时间内,科学家们成功地取得了许多内分泌腺体的提取液,如1909年取得脑下垂体后叶提取液,1921年取得脑下垂体前叶生长素提取液和胰岛素提取液等。对这些提取液的取得和研究,充实了人类治疗内分泌功能紊乱疾病的手段。生理学家和医学家又进一步研究了各种激素的生理功能和医疗上的作用,也取得了一系列重要的发现和进展。如甲状腺素引起甲状腺机能的亢进或减退;胰岛素和糖尿病关系密切,胰岛素分泌不足是糖尿病的直接病因;性激素是促进性成熟和影响性功能的主要因素;肾上腺皮质激素对糖、脂肪、蛋白质核酸以及钠、钾、氯等无机盐类的代谢有广泛的调节作用,如果缺乏,则会引起人体器官功能的紊乱,严重时甚至造成死亡。随着不断的研究,科学家们还发现,在人体内激素还有许多种,如副甲状腺素、胸腺素、肾上腺素、消化道激素等。

20世纪30年代前后,科学家们在内分泌研究方面最重大的成就是发现了脑下垂体分泌的激素,具有调节控制体内其他激素的功能。脑下垂体位于大脑的中下方,下丘脑的下部。科学家发现它除了分泌起促进生长作用的生长素外,还分泌各种促激素,如促甲状腺激素、促性腺素等。它们对于体内其他激素的分泌起着调节作用,一旦其他激素分泌量过少,则垂体激素分泌量就会相应地增加,以促进相关激素的分泌;如果其他激素分泌量过多,则垂体的相关激素的分泌量就会减少。

20世纪后半叶人类在激素研究方面最激动人心的成就是提取分离并化学分析了下丘脑分泌的神经激素。这项科研成果主要由两位生化学家吉尔曼和沙莱完成。下丘脑是比垂体更高一级的调节控制激素的分泌的组织,而且在这里神经和内分泌两大系统通过神经递质的作用而联系起来,形成了一个统一体。

在研究激素的生理功能时,血液中微量激素测定是一个关键。1959年美国女放射性同位素物理学家亚洛和医生伯尔森长期合作,建立了放射免疫分析法,用以测定血液中的微量的多肽类激素、甾体激素、环化腺苷酸吗啡等,为激素的研究和临床上内分泌紊乱病症的诊断提供了灵敏的工具。

科学家对激素作用原理的研究也随着分子生物学和细胞生物学的发展有着很大进展。美国生化学家萨瑟兰于1956年发现了CAMP。又经过多年时间的研究工作,科学家们才证明CAMP是激素同细胞作用中起积极作用的“中间体”。20世纪70年代前后,关于生物膜的研究成果也表明,激素作用于细胞内特定的激素受体。激素起作用时先同受体结合,刺激细胞内CAMP量升高,从而引起一系列的生理生化变化。

以上这些激素研究工作的主要进展,很快就直接应用于处理内分泌失调病人的检查治疗和病理分析,充分标志着20世纪医学的进步是由研究室科研工作和临床实践相结合推动的。

维生素C的发现

维生素是人体需要的六大营养素中被发现得最晚的一类。人类因缺乏维生素C所经受的痛苦和生命威胁,已经不知过去多少年了。从埃及发现的古代象形文字中,有人认为,以牙龈和皮肤出血为特征的坏血病在3000年以前就有了。古希腊的希波克拉底(公元前460~公元前377)记载的一种病,也是指坏血病。

曾有人对坏血病作过较详细的描述:病来时脚和腿突然感到疼痛,牙龈和牙齿被一种坏疽侵袭,病人不能进食。腿上骨骼发生病变,呈可怕的黑色(由于骨膜下出血),疼痛不止。