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第18章 生物科学发现(8)

在以后的研究中,他们还发现,这样的基因可通过几种方式致癌。甚至在没有病毒参与的情况下,这种基因也可被某些化学致癌物转化,使细胞不受限制增生,从而导致癌细胞迅速地吸收营养,增大,癌症更加恶化。毕晓普和瓦尔默斯发现的机制似乎是适合于一切癌瘤的发生,所以他们的工作对于癌瘤研究贡献极大。在他们研究的基础上,直到1989年科学家们已在动物中鉴定出40个以上的具有致癌潜能的基因。

对癌症基因的研究决不会停止,在不久的将来,一定会有更多的基因被人类揭开它神秘的面纱,人们将会从认识癌症基因走向控制癌症基因,从而彻底地消灭癌症这个肆虐掠夺生命的残酷杀手。

长久以来,癌症一直是威胁人类生命的残酷杀手,要想把它从世界上驱除,就必须先对它有所了解,因此研究癌症基因对拯救人类生命意义重大。

病毒的发现

地球上的人类、其他动物和植物遭受病毒病的折磨已有许多世纪。许多记述表明至少在公元前2至3个世纪印度和中国就存在天花,中国从公元10世纪宋真宗时代就有接种人痘预防天花的记载了。除了文字记载外,考古学的发现也说明早就存在某些人类病毒病。在古埃及石刻浮雕中一个主要人像就带有患过引起跛足的脊髓灰质炎的标记。

在家畜的病毒病中,狂犬病可能是最早有记载的。此病毒病一般与疯狗有关。亚里士多德在公元前4世纪就记述了病犬的疯狂和暴怒,通过咬啮还能将病魔传给其他的动物,此病也能传染给人(人畜共患疾病),在人体上这种病常被称作恐水病。

昆虫病毒病可能同高等动、植物的病毒病一样历史悠久。12世纪中叶我国《农书》中,已有关于家蚕“高节”、“脚肿”等病症的记载。这就是我们现在所知的家蚕核型多角体病毒。

病毒由来已久,那它又是怎样被人类发现的呢?

对病毒最早的研究是科学家麦尔,他被烟草的一种病态所吸引,其症状是感染叶子上出现深、浅相间的绿色区域,麦尔称之为烟草花叶病。通过对叶子和土壤的分析麦尔指出不能把此病归于无机物平衡失调。他推断这可能是一种细菌病。

19世纪末,年青的俄国科学家伊万诺夫斯基发现患花叶病的烟草叶的叶汁,即使经过烛形滤器的过滤也仍具有传染的性质。这项观察说明了有一种比以前所知的任何一种都小的病原存在,他认为该病是由产生毒素的细菌引起的,但还没有意识到这种比细菌还要微小的物质就是病毒。

荷兰科学家贝杰林克重复了伊万诺夫的实验,他从患花叶病的烟草叶中挤出汁液,并使之通过滤器,但滤液仍有侵染性。贝杰林克相信他的滤器阻挡住了细菌。他将汁液置于琼脂凝胶块的表面时,发现侵染性物质在凝胶中以适当的速度扩散,而细菌仍滞留于琼脂的表面。因此他认为这种侵染性物质要比通常的细菌小。贝杰林克用“病毒”来命名这种史无前例的小病原体。所以,真正发现病毒存在的是贝杰林克。

伊万诺夫斯基和贝杰林克通过他们创造性的工作发现了烟草花叶病毒,从而开创了病毒学独立发展的历程。

从病毒被发现的1898年以后,科学家们又相继发现了各种病毒。德国细菌学家勒夫勒和弗施证实了口蹄疫病毒的存在,劳斯发现了引起鸡的恶性肿瘤的劳斯肉瘤病毒,托特和德爱莱尔分别发现了噬菌体。人们通过过滤性试验,相继发现了近百种病毒病害,包括流感、脊髓灰质炎、脑炎、狂犬病、兔的粘液瘤、马铃薯花叶病、卷叶病、黄瓜花叶病、小麦花叶病等。19世纪末古巴流行黄热病,细菌学家里德证明是由伊蚊引起的。接着日本人高见证明一种叶蝉会传播水稻矮花病,蚜虫会传播马铃薯退化病。300多年前就知道的郁金香碎色病直到20世纪20年代才证明是蚜虫传播的。

这时期还发现了一些非常有趣的病毒生物学现象,如一种病毒通过变异,能产生致病力强弱不等的毒株。而且同一种病毒的不同毒株彼此间有拮抗,称干扰现象。还有人发现把病植株的汁液注入动物体内后,动物的血清和病汁液起特异的反应。这些研究成果都对当时防治病毒病起了重要作用。总之,人们从解决病害观点出发,在机体水平上研究了病毒感染的症状、传播途径、传播介体以及病毒的繁殖特征。

后来人们又对病毒的化学成分和结构进行了分析,还充分利用了电子显微镜。终于,人们对于病毒的认识越来越多,生物科学和医学领域也越来越先进和发达。

病毒是致病的物质,甚至可以威胁生命。它的发现和研究对治愈疾病和挽救生命具有重大的意义。

维生素C的发现

两千多年前,古罗马帝国的军队渡过突尼斯海峡远征非洲。在烟尘蔽日、飞沙漫漫的沙漠上,士兵们长途跋涉,吃不到水果和蔬菜,便大批大批地病倒,他们的脸色由苍白变为暗黑,紫红的血从牙缝中一丝一丝地渗出来,浑身上下青一块、紫一块,两腿肿胀,关节疼痛,双脚麻木而不能行走,纷纷栽倒在沙漠中。这也正是希腊的“医学之父”——希波克拉底所详细描述的坏血病的综合症状。

导致坏血病的原因就是维生素C的缺乏。维生素C因具有抗坏血病的作用又叫抗坏血酸,对人体来说是一种非常重要的、必不可少的物质。在遥远的古代,由于严重缺乏维生素C而引起的坏血病,曾引起人们的极度恐慌。人类征服坏血病的不朽斗争也成为维生素C发现史上的重要篇章。

15世纪至16世纪,坏血病曾席卷整个欧洲,欧洲远洋商船、军舰上的海员们由于长期吃不上水果,也曾遭受过坏血病的打击。1497年葡萄牙领航员,著名的达·伽马绕好望角航行,在航行中他的160名航员中因坏血病有100名丧生。16世纪末,英国海军一年中坏血病患者竟达1万多名。这些患者全身软弱无力,肌肉和关节疼痛难忍,牙龈肿胀出血。一些病情严重的患者死在了船上。18世纪中叶,坏血病的灾难更加疯狂地席卷了整个欧洲大陆,英法等国航海业也因而处于瘫痪状态。坏血病所带来的灾难给人们造成了巨大的恐慌。

直到18世纪末,一个叫伦达的英国医生发现,原来一些简单的水果便是坏血病的克星。他给病情严重的病人每天吃一只柠檬,这些人的病情竟然迅速好转,半个月内全都恢复了健康。自此,人们才知道令人恐怖的坏血病原来可以用简单的食物如橘子或柠檬来治疗,于是人们又有了战胜病魔的希望。在伦达医生的建议下,海军士兵和海员航海时每天都要服用柠檬汁,来预防坏血病的发生。根据英国海军部的统计:1780年海军中患坏血病死亡人数为1457人,而采用伦达医生办法后的1806年便骤减到1人。到1808年,坏血病便在英国海军中绝迹了。英国的水兵和海员由此便有了“柠檬人”的称号,并一直延续到了今天。

伦达医生用柠檬汁战胜了坏血病,挽救了成千上万人的生命,这正是因为柠檬中的维生素C的作用。科学家们开始认识到维生素C的伟大功效,便想从柠檬中将维生素C提纯,从而更加有效地治疗疾病和进行研究。然而从柠檬汁中提取维生素C,科学家们却花了100多年的时间。

20世纪20年代,英国科学家齐佛从柠檬汁中提取到一种白色晶体,即维生素C,它比浓缩的柠檬汁抗坏血病的效力高出300倍。

20世纪30年代匹兹堡大学的查尔斯等人从柠檬汁中分离出一种结晶状物质,并证明这种物质在豚鼠体内具有抗坏血酸的活性。这一实验标志了维生素C的发现,人们得知了百年来坏血病的祸根源于维生素C的缺乏。

几年后,瑞士科学家理查斯德曼等人用葡萄糖做原料,首次人工合成了维生素 C,维生素 C才真正登上了历史舞台,成为人类健康的使者。

从坏血病的发现到维生素C的合成经历了漫长的岁月,好在今天人们已经无需再惧怕坏血病,科学家们的努力使人类的生活又向文明健康迈进了一步。

蛋白质的研究历程

生活中有一些物质,它们在加热的情况下不是由固态便为液态,而是由液态变成固态。鸡蛋和牛奶就是很好的例子,为什么呢?是因为蛋清、奶里面的酪蛋白具有这种特殊的性质。在研究生命物质的初期,化学家们就发现了一类性质奇特的物质。

18世纪后期,法国化学家麦夸尔把所有加热后凝固的物质归为特殊的一类,称之为蛋白物质。当19世纪的有机化学家们着手分析蛋白质的时候,发现这些化合物比其他有机分子复杂得多。19世纪30年代末,荷兰化学家穆尔德得出了一个基本式子:C40H62○12N10,他认为这是蛋白物质共有的一个通式,只要在这个基本式子中加入一些含硫或含磷的基团,就可以形成各种蛋白化合物。这个基本式子被穆尔德命名为蛋白质,蛋白质这个词是由希腊语转化来的,意思是“头等重要的”,当时使用这个词,大概只是为了表明这个基本式子在决定蛋白质的结构方面是头等重要的,但是后来事物发展的结果证明,用这个词来表示这些物质本身也是非常贴切的。自从知道了蛋白质以后,人们很快就发现蛋白质对于生命是极为重要的,并且继续着对蛋白质的各种研究。

蛋白质首次被认为是天然的含氮有机化合物,科学家们在不同的动物性物质如血清白蛋白,血纤维蛋白,牛奶酪蛋白中发现蛋白质分子。20世纪20年代中期萨姆纳首先得到结晶蛋白质——脲酶。20世纪50年代中期桑格等测定了第一个蛋白质——胰岛素的一级结构。60年代,中国化学家钮经义,汪猷,邢其毅等首先从氨基酸合成结晶牛胰岛素,这是第一个有生理活性的人工合成蛋白质;穆尔和斯坦等设计了氨基酸分析仪;埃德曼设计了蛋白质自动顺序分析仪。20世纪末,高效液相色谱、质谱、计算机和气相顺序仪等的应用,使蛋白质结构的研究获得很大发展。

在蛋白质的结构方面,科学家们又作了详细的研究。20世纪50年代初鲍林提出蛋白质构象的假说,认为在肽键中有α-螺旋,β-折叠和β-转角等。20世纪60年代初肯德鲁等首次用X射线衍射法测定了蛋白质的晶体结构,揭示了肌红蛋白的三维空间结构,证实了α-螺旋的存在,并进一步揭示出了其二级和三级结构。佩鲁兹等通过对血红蛋白结构的研究,从分子水平阐明了镰刀型贫血症的病因。中国科学工作者对胰岛素三维空间结构的研究达到了12埃分辨率的水平,紧接着又研究了天花粉蛋白的空间结构。 科学家们得知了蛋白质对生命的重要性,于是通过研究,揭示了关于蛋白质的种种实质。而这些只是关于蛋白质基础的研究,它的利用及开发研究的时代即将来临。

现在我们知道了蛋白质是生命的重要组成物质,我们对其的不断研究和发掘定会为人类带来更大的福音。

贝尔纳提出机体内环境学说

内环境稳定这一概念是十九世纪法国生理学家贝尔纳提出的。他认为,动物保持它的内环境稳定的能力是它生存的条件,所有的生命机制,尽管多种多样,都只有一个目标,就是保持内环境的稳定。

贝尔纳,法国实验生理学家。19世纪30年代中期,贝尔纳进入巴黎医学学校,不久成为当时著名科学家马根狄的助手。贝尔纳接受了马根狄的良好的训练,并且青出于蓝而胜于蓝。他在40年的科学生涯中,在生理学方面取得的成就是无与伦比的。

贝尔纳具备出色的实验技巧和卓越的科学思维能力,经过不懈的努力逐步充实和发展自己的思想和学说。贝尔纳生理学倡导的核心观念是,有机体自身具备周密而灵活的调节机制。紧接着,他又发现并阐明了血管舒缩神经的功能。血管舒缩神经可以使血管舒张或收缩从而改变血液的流量,而血流量和血液成分一样和机体的许多功能活动相关。

19世纪50年代,贝尔纳提出了“内环境”概念。他认为动物的生活需要两个环境:肌体组织生活的内环境和整个有机体生活的外环境。细胞和组织只能生活在血液或淋巴构成的液体环境中(即组织液),不可能像整个有机体一样直接与外界环境接触。组织液不仅为组织提供营养,而且也是细胞或组织之间相互联系的主要通道。对高等生物来说内环境的相对稳定是生命能独立和自由存在的首要条件。内环境的稳定意味着高等生物是一个完美的有机体,能够不断地调节或对抗引起内环境变化的各种因素。

在大量生理学实验基础之上,贝尔纳得出了另一个结论:复杂的动物身处两个环境之中,一个是生物体置身于其间的外环境,另一个为内环境,是身体组织的各个部分赖以生存之处。在外环境中,并不发生生命进程中的那些活动,生命的进程只发生在内环境中。他用一句名言高度概括总结了这一思想:“内环境的恒定是自由和独立的生命赖以维持的条件。”这就是贝尔纳提出的“内环境恒定”学说。

贝尔纳认为,在高等动物中,内外两个环境之间存在着相当密切的内在联系,它们之间具备一种平衡。例如,在高等动物体内,体温和血液中酸碱度的恒定等,都是内环境恒定的具体体现,由此高等动物才能在瞬息万变的环境中维持自己特定的生命活动,而那些低等动物,如两栖、爬行类的蛇等,因缺乏恒定的体温调节机制,故而只能以“冬眠”的形式度过寒冬。

贝尔纳出色的思想和学说引起了20世纪生理学家们的广泛共鸣。美国生理学家坎农以“内稳态”这一词来刻画内环境恒定的机制,并以丰富的实例证实了这一机制。更重要的,从“内稳态”这一机制中还引申出了许多新的概念和术语,如反馈、回路、伺服机构等,它们是控制论思想的先驱。

在此意义上,贝尔纳不仅仅只是一位以卓越的活体解剖技术而著称的实验生理学家,他还是一位具有理论头脑的生物学家。他的名著《实验医学导论》至今仍享有崇高的声誉。贝尔纳不愧为现代实验生理学的奠基者。

贝尔纳通过他对生物的观察和研究试验创立了自己的学说,他的学说具有充分的理论依据和实验基础,是生物学史上的里程碑。

激素的发现

激素是由机体内分泌腺产生的一种微量而高效的、能够调节多种生理机能和物质代谢活动的化学物质。在生理学史上,对体液调节研究最多也最富有成效的可能还数对激素调节的认识。

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