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第11章 诺贝尔生理学及医学奖(1)

谢灵顿

查尔斯·S·谢灵顿是英国杰出的神经生理学家。他发现了中枢神经反射活动的规律,揭示了神经细胞及能量在神经系统中传递的情况。为此,于1932年获诺贝尔生理学及医学奖金。

谢灵顿是詹姆斯·诺顿·谢灵顿和安妮·布鲁克斯的儿子,1856年11月27日生于英国伦敦。在他年幼时,父亲就去世了,母亲改嫁给伊普斯威奇的小凯勒布·罗斯医生。这个新的家庭喜好收藏名画、珍贵书籍和地质标本,是艺术家和学者经常聚会之处。谢灵顿受到家庭的影响,从小就热爱科学、哲学、诗歌和历史。他兴趣广泛,多才多艺。

1870年,谢灵顿就读于伊斯特威奇中学。这所中学的教师中有著名学者霍尔登和年轻诗人托马斯·亚瑟。托马斯·亚瑟给谢灵顿以巨大影响,使他渴望读诗、写诗。1875年,他中学毕业,由于银行亏损,家境每况愈下。为了让两个弟弟先上大学,他服从了继父的安排,到伦敦圣托马斯医校学习。

继父鼓励他多读书,他就博览群书,读了著名生理学家米勒的《生理学要素》等著作。

1879年,他在剑桥大学凯尤斯学院攻读生理学,成绩优异。1882年在剑桥大学自然科学名誉学位考试时,他独占鳌头;翌年第二次考试,他又成绩卓著,被认为是出类拔萃的学生。在大学期间,他不仅对专业有浓厚的兴趣,且喜爱读诗、写诗和写文章。24岁时,他在《剑桥评论》上发表了赞扬一位诗人的文章,被认为是出自一个难以置信的博学人之手。体育活动也是他的另一爱好,他喜欢打橄榄球、划船、溜冰、滑雪及跳伞。

1885年,他去欧洲大陆深造,在戈尔茨、魏尔肖和柯赫教授的指导下当研究生。这使他在生理学、形态学、组织学和病理学等方面受到了扎实的训练。他曾与杰·恩·兰利一起发表了一篇关于狗脑机能的论文,这是谢灵顿的第一篇科学论文。论文由戈尔茨教授在伦敦国际医学会上宣读后,引起热烈的争论。就是在这次学术会上,谢灵顿见到了他所崇拜的戴维·费里尔。

20年后,谢灵顿把自己的名著《神经系统的整合作用》献给了他。在这次会议上,费里尔展示了一只脑子被切除一部分的狗,它被切除半边脑后相反的半边身子呈瘫痪状态。这与人中风的情况完全一样。谢灵顿后来花了九个月的时间测定脑的功能。这段经历使他确立了终生探索神经系统奥秘的志向。

谢灵顿有强烈的求知欲,科学上的每一个新进展都能让他高兴万分。在解决疑点时,他不怕险阻,迎难而上。1885年,他的朋友、剑桥大学病理学教授罗伊,发现了一种能对付在阿根廷家畜中蔓延的传染病的预防注射方法,谢灵顿高度赞扬这种减轻病痛的办法。这时又传说西班牙一位医生发明了一种疫苗,可以对付亚洲型霍乱。他就与罗伊教授及格雷厄姆·布朗一起去西班牙考察,他们受到了西班牙将军的非难,交了钱才允许进入疫区。在疫区,他们受到暴民围攻。尽管英国领事给他们解了围,但铺路的石子仍不时地在头顶呼啸。他们始终未看到这种疫苗能对付霍乱的证据,只得到了亚洲型霍乱的标本。后来他又去意大利考察亚洲型霍乱。他带着这些亚洲型霍乱的标本,到德国柏林向病理学教授魏尔肖求教。在柏林,他学到病理学知识,还受到魏尔肖自由主义思想的影响。魏尔肖憎恨封建统治。他曾对他的学生讲:

普鲁士国王的父亲是硬脑子,国王是软脑子,国王的儿子没脑子。这位教授曾因此被流放七年。他经常带谢灵顿去国会看热闹,使他亲眼见到普鲁士大臣的卑贱和独裁者俾斯麦令人作呕的骄横。从此,谢灵顿对普鲁士统治者深恶痛绝,在两次世界大战中,他都设法帮助从德国逃出来的难民,第一次世界大战期间,他曾为英国工人的健康和安全做了很多工作。

1887年,谢灵顿被任命为伦敦圣托马斯医学院系统生理学讲师,从此开始了他的教学和研究事业。在此期间,他逐渐把兴趣由病理学转向生理学。这一年他着手研究一个由于行动失调被折磨多年而死的病人的脊髓,接着又研究一个死于大脑出血但出血后仍活了52天的患者。后来他又把他的医院作为研究场所,用更多的精力研究哺乳动物的脊髓。他与罗伊教授一起,对大脑循环进行了研究,其成果受到当时专家们的赞赏。

1891年8月27日,谢灵顿同埃丝尔·赖特小姐结婚。在他的独生子卡尔出生的1897年,他被任命为伦敦一家动物医院布朗研究所的主任医师。这所医院免费调查、研究、治疗益兽和益鸟。他使用这里的大量动物进行科研,发表了关于神经系统的纤维通路、神经反射作用等20多篇论文。这些研究成果成为他在1906年发表的《神经系统的整合作用》一书的重要组成部分。

1914年,谢灵顿被任命为牛津大学生理学教授。这一年他已57岁。多数人在这样的年纪已不愿去迎接新的挑战,更不愿从零开始研究关节、躯干、眼睛和耳朵了。而他恰恰相反,从这年起,他进入了一生中最忙碌的时期,开始向学术顶峰攀登。当时有人问他对利物浦大学的看法,他回答说:“积几世纪的经验,我们都是在讲授我们已经知道的东西,但在科学发展不可抗拒的潮流面前,我们不能死抱住会什么教什么这个老信条。必须设法教我们现在还不会的东西。虽然这是要几个世纪才能达到的目标,但不能在这新的挑战面前退却。”他也经常对学生们说:“对大自然探索得越合理,答案就会越清楚。”对于那些只想匆忙取得医学文凭的人,这话似乎是疯话;但能够理解这话含意的学生,后来大都成了世界上医学研究和教育的栋梁。

1920年至1925年,谢灵顿任英国皇家学会主席。1925年至1935年他任牛津大学生理学教授。到了晚年,他开始从事诗歌创作和哲学研究。他在这方面的著作有《布拉班丘斯试金》、《人的本性》及《简·菲纳尔的努力》。

他一生获得过多种荣誉,例如:被授予不列颠帝国大十字勋章、荣誉勋章、诺贝尔奖金;被授予医学博士,法学博士、文学硕士等学位;他还是四十多个学会的名誉会员。他于1935年退休,1952年3月4日在英国伊斯特本去世。

谢灵顿的科学成就大致可分为两个阶段。第一阶段从1880年到1906年发表《神经系统的整合作用》。几个世纪以来,关于神经系统的结构和功能的资料及理论,都是零打碎敲的,在每一个领域里都有激烈争论。谢灵顿用十年时间系统地研究了膝反射赖以发生的肌肉和神经情况,对每条脊髓神经根的分布范围,进行了深入探索,建立了生理研究所需的解剖学基础。他对神经解剖学有三大贡献:描述了运动神经通道,证实了肌肉中存在感受神经,探索了脊髓后根的皮肤分布情况。他发现神经协调的秘密是反射配合,而反配合是由反射共同通道周围反射弧的活动建立的,支配这种活动的,是神经细胞间的联,谢灵顿称之为“突触”。后来他又对交互神经支配进行周密的研究,提出一个经典性定义:交互神经支配是一种协作形式,即抑制性运动的脊髓反射与许多兴奋性运动的脊髓反射常常同时发生,当一对对抗肌中的一条肌肉主动收缩时,另一条对抗肌就松弛。1906年出版了他划时代的著作《神经系统的整合作用》。这一著作在生理学上的地位,相当于牛顿的定律在物理学上的地位。这本书已成为神经生理学的经典,谢灵顿因这本书获得诺贝尔生理学及医学奖金。

从1906年到1932年接受诺贝尔奖金,为他科学研究的第二阶段。1906年以后,他所进行的研究主要是对《神经系统的整合作用》中所提出的概念定量,进行检验和提炼。他最关注的问题之一就是抑制。1925年,他整理了经过25年实践所得到的论据,从伸肌反射和屈肌反射中看到的肌肉收缩现象出发,进而推论突触处所发生的情况。他证明,抑制虽然在性质上与兴奋相同,并服从同样的规律,但是一种不同的现象。关于运动单位的概念,他进行了多年研究,发现这可看作是共同通道原理更高级更有实验根据的发展,这就是脊髓运动神经元。它用轴突的分支控制和协调100根以上肌肉纤维的活动。这是他在70岁高龄时为人类做出的重要贡献。

谢灵顿一生作出的最大贡献是对交互神经支配和抑制不可分割的分析,对肌肉张力的研究,对产生神经细胞单独行为和整合行为的研究,及对突触作用性质下的定义。由于以上成就,他被誉为“神经系统的主要建筑师”、“生理学原理的作家”。

布洛伯尔

布洛伯尔1936年出生于德国沃尔特斯奥尔夫市(现在该市属于波兰),在德国蒂宾根大学接受教育后,于20世纪60年代前往美国,在美国威斯康星·麦迪逊大学从事癌症研究并获博士学位,后来加入美国籍,在纽约市洛克菲勒大学细胞生物学实验室从事生物研究。在此之前布洛伯尔曾进行过膀胱纤维化及肾结石研究。早在20世纪70年代初,他便在新合成的蛋白质内发现了这种对于控制蛋白质穿越细胞器膜必不可少的信号。在随后的20年里,他通过研究进一步证明了这一发现,并详细地阐述了这一发现的分子机制。

1999年诺贝尔医学奖授予德裔美国学者、纽约洛克菲勒大学细胞分子生物学家君特·布洛伯尔,以表彰他发现了蛋白质内控制蛋白质在细胞内传输和定位的信号。

一个成年人体内有一百万亿个细胞,每个细胞有很多由膜包裹的细胞器,各细胞器功能不一,如细胞核含有遗传物质DNA。线粒体产生细胞需要的能量,内质网和核蛋白体共同合成蛋白。一个细胞有约一百万个蛋白分子,不断分解合成。这些蛋白或要转移出细胞,或要穿过细胞器膜转移到应到的其他细胞器内。这一过程如何有序地发生,多年来人们一直不甚了解。君特·布洛伯尔解答了这些问题。

1971年,布洛伯尔首次系统地提出了“信号假说”,假定细胞分泌出的蛋白内含有引导细胞穿越膜的信号。1975年他对这一过程的各个阶段做了描述,阐明信号是由类似于“条码”的特殊排列的氨基酸组成,蛋白通过一个通路穿越细胞器。此后20年里,他详细研究出这个过程各个阶段中的分子机理,证明“信号假说”不仅正确,而且是适用于酵母菌、植物和动物细胞的普遍规律。他还很快发现,类似的蛋白内信号控制着细胞间细胞器的蛋白转移。在此基础上,布洛伯尔于1980年总结出了如何分类鉴别对应于不同细胞室的蛋白,提出每个蛋白都有指明其在细胞中正确位置的信息,氨基酸顺序决定了一个蛋白是否会穿过膜进入另一个细胞器、或者转移出细胞。

布洛伯尔的发现对现代分子生物学影响重大,并且非常有助于理解某些医学机理,尤其是一些遗传性疾病。它揭示了人类一些遗传疾病正是由于蛋白质内部信号与传输机制出现问题而造成的,因为蛋白质的内部信号如果不能使蛋白质在细胞内准确定位,细胞就无法实现它的正常功能,例如,由于信号出错,新合成的蛋白会在细胞内错误的地点“安家”,导致高草酸盐尿,在较早年龄就引发肾结石;又如导致膀胱纤维化。

布洛伯尔的发现无疑为治疗一些疑难病症找到了新的思路,他的研究还将有助于更好地利用细胞为“蛋白工厂”来生产贵重药品。

摩尔根

托马斯·亨特·摩尔根,这位用毕生的精力从事胚胎学和遗传学研究的美国生物学家,在孟德尔定律的基础上,最终创立了现代遗传学的“基因学说”。摩尔根最负盛名的是利用果蝇进行的遗传学研究,在这一过程中他和他的助手发现了伴性遗传规律,并发现了连锁、交换和不分开现象等,从而发展了染色体遗传学说。为表彰他在创立染色体遗传理论(认为遗传基因是在染色体上作直线排列)方面的功绩,诺贝尔基金会授予他1933年度生理学及医学奖金。

摩尔根于1866年9月25日生于美国肯塔基州列克星敦。他的父亲查尔顿·亨特·摩尔根和母亲爱伦·基·霍华德(查尔顿之前妻)都出身于南方名门望族。在19世纪60年代初期,他的父亲曾任美国驻西西里岛墨西拿的领事,并曾向朱塞普·加里波第及其“红衫军”提供过帮助。

童年时代,摩尔根对博物学有着浓厚的兴趣。他曾用几个夏天的时间,到肯塔基州的乡间、山区和西马里兰州的农村观光游览,这使他有机会搜集化石和考查自然界,在肯塔基的山区,他还同美国地质勘察队一起工作了两个夏天。

1880年,他进入肯塔基州立农机学院(现肯塔基大学)预科学习。两年以后,入该学院本科攻读动物学。1886年,他在肯塔基学院毕业,取得动物学学士学位,随后,进入约翰·霍普金斯大学学习。在该大学就读时,摩尔根显出非凡的聪明才智。他在H·涅维尔·马丁指导下攻读普通生物学、解剖学和生理学;在威廉·N·霍华德指导下攻读解剖学;在威廉·基斯·布鲁克斯指导下攻读形态学和胚胎学。1890年,他完成了论海洋蜘蛛的博士论文,获得哲学博士学位。

1891年,摩尔根接受了费城附近的布林马尔学院的聘请,到该学院任生物学副教授,从此开始了科学研究生涯。1894年至1895年间,他到意大利那不勒斯动物站工作十个月,这使他有机会结识了以德国胚胎学家汉斯·德雷斯为首的世界各国研究人员。通过坦率地交流思想,他大获裨益。

动物站的研究方法和各国生物学家的观点,给他留下了深刻的印象,用他自己的话说,他在那不勒斯动物站“接触到最优秀的当代成果”。后来,他之所以能在胚胎学研究中运用实验与分析的方法,也是与这段经历分不开的。

从1895年起,他开始集中研究实验胚胎学,直至1902年。前期主要探索了影响正常胚胎发生的因素,后期着重研究成年幼体中已经丧失或受伤的组织、器官的再生问题。在研究中,他摒弃了当时颇为流行的单纯依靠描述性解剖学的研究方法,而是运用实验与分析方法。他竭力敦促人们重视定量分析与实验,其中包括物理分析与化学分析。他认为:只有通过实验才能证明生物的进化过程;只有运用严密的科学方法,生物学才会向前发展。在摩尔根的影响下,普通生物学,特别是遗传学和胚胎学从描述性的科学转变成为运用定量分析和实验方法的科学。1901年,他发表了第一部巨著《再生》,比较全面地总结了那个时期人们对再生问题的认识。这部著作很有见地,首次显示了他的写作才能和分析能力。

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