公元1789年—气体交换

安东尼—劳伦特‧拉瓦锡(Antoine-Laurent Lavoisier, 17 43- 1794年)

1789年,身为化学家的法国贵族,安东尼 劳伦特 .拉瓦锡证实气气和二氧化碳之于呼吸的重要

性。但是在1794年,这位替现代化学奠定基础的先驱,并未能因此成就躲过被送上断头台的命运。直

到20世纪,人们才知道在碳水化合物、脂肪等富含能量的化合物代谢过程中、在细胞呼吸的化学反应

中,气体扮演什么角色。

所有生物,从单细胞的细菌到哺乳类动物,呼吸过程都牵涉气体交换:呼吸面(respirarory surface)上的反向气体交换、内脏和外界的气体交换。呼吸包含吸入氧气和呼出二氧化碳,二氧化碳是新陈代谢的终产物(end product)。呼吸面上的气体交换借着扩散作用来完成,气体从浓度高的地方往

浓度低的地方移动。呼吸面气体交换过程随物种而有些微差异,然而基本原理是相似的。

以细菌这样的单细胞生物为例,气体可以直接穿越它们的细胞膜;至于蚯蚓和两栖动物则是透过皮肤进行气体交换;昆虫的体表有气孔·气孔连接气管;鱼类必须吸收水中的溶氧,当鱼类游动时,水流入口腔和鳃,有非常宽阔的呼吸表面可供气体扩散,且这些部位密布封闭的微血管。氧气只能从 单一方向进入鱼鳃,含有二氧化碳的血液与氧气成反方向流动,藉此排出体外;哺乳类动物的气气和二氧化碳都藉由血液运送,经微血管进出血液,肺泡是气体交换的场所,所有肺泡呼吸面,加总面积相当于一座网球场。

相反的,植物行光合作用时,植物 摄入二氧化碳,释出氧气。植物行呼吸 作用时,摄入氧气,排出二氯化碳。气体借着扩散作用通过叶片下方的气孔,进入叶肉组织·叶肉是叶片内的呼吸面。

公元1786年—动物电

1786年,路易吉·贾凡尼进行实验之际,看到一只死青蛙的腿剧烈收缩,不难想象他在当下受到 的冲击。过去10年,贾凡尼一直利用电流研究青蛙的生理反应,这种收缩的景象他见多了。然而这天,实验桌上有一条之前实验结束后留下,已解剖过的青蛙腿,他的助手以金属解剖刀触碰青蛙腿上外露的神经,发现这条青蛙腿一样产生剧烈收缩。后续实验过程中,贾凡尼发现,当两种不同金属和神经或肌肉接触时会产生电流,导致肌肉收缩 。

贾凡尼是一位意大利医生、解剖学家和生理学家,毕业于波隆那大学医学院,也是该校的荣誉校友。根据实验结果,他推论神经和肌肉中有电液体,作用就像电流,因此称之为「动物电」。他假设电场由脑产生,跟随血液从神经流动到肌肉 , 使肌肉收缩。意大利物理学教授亚历山德罗·伏特原本对贾凡尼发现的动物电充满兴趣 , 但后来他的态度转为怀疑 , 进而完全反对贾凡尼的说法。任教于帕维亚大学的伏特接受贾凡尼的实验结果,但不接受所谓动物电的说法。他认为是因为两种不同金属互相接触而产生电流 , 他以贾凡尼之名为这种金属电 命名,称之为 「 Galvanism」。

这两人影响未来的科学发展 , 甚至是文学发展。贾凡尼的实验室最早的电生理(生物电)实验,硏究活体生物细胞的电性,而伏特的研究则导致伏 特电池的诞生。通电(galvanize)和电流单位伏特 (vole)都以他们的名字命名,以资纪念。乔凡尼. 阿迪尼是贾凡尼的外甥,是他的忠实支持者,也是 一位物理学教授 。 阿迪尼继续贾凡尼的实验 ,在1803年公开发表一项广为世人接受的实验:透过电 流刺激罪犯死尸的肢体 。 虽然纪录显示玛丽.雪莱和这些实验的关联 , 然而据信她创作《科学怪人》

(Frankenstein,1818年)的灵感,正是来自阿迪尼 试着让死人复活的企图。

公元1760年—人工选殖

逹尔文以选殖来说明天择说的理论基础,还特别引用选殖专家罗伯特.贝克韦尔的开创性研究成

果。逹尔文注意到许多家畜或植物都是人类刻意挑选繁殖后的产物,具有对人类有利的特殊特征。

选殖(selecting breeding)是达尔文发明的词棠。11世纪,从波斯博学家阿布.莱伊汉· 比鲁尼的记叙中可以发现:生活在两千多年前的罗马人早已着手进行这样的工作。然而,拜英国农业革命的领导者贝克韦尔之力,选殖才奠定科学基础。贝克韦尔是佃农之子,早年就在欧洲大陆到处遏徙,学习 农业技术。1760年,贝克韦尔的父亲去世,由他接管农场,利用创新的繁殖、灌溉、水淹等技术,将草地转变为肥沃的牧场。接着,他将注意力转移到家畜身上,透过选殖的方法,孕育出新赖斯特绵羊(New Leichester sheep lineage)品种。这种绵羊体型大,体态健壮,且有亮泽的昂贵羊毛可以输出到北美洲和澳洲。如今,贝克韦尔令后人钦佩不己的并非是他孕育出的品种,而是他的选殖功夫。

用来进行选殖工作的个体必须具备人类喜好的特征,透过杂交产生所有选殖特征的后代。植物的 选殖特征通常是产量高、生长速率快、抗病、耐恶劣气候。以鸡而言,选殖特征可能包含鸡蛋的质量、 大小,鸡肉的质量,以及后代的存活率。水产养殖,包括鱼类和贝类,选殖也发挥最大潜力,选殖特征包括提高生长率和存活率、肉的质量、抗病,至于贝类,选殖特征还包括壳的大小和颜色。

公元1759年—发生论

从亚里士多德时代到18世纪共两千多年,胚胎发育,或称发生, 直是备受争议的话题。亚里斯

多德提出两种可能:先成论(prefromacion)及后成论(epigenesis)。

先成论立基于《圣经》对造物主创物的解释,认为自受精起,胚胎就已经具有完整的器官,这些器官不是位于母亲的卵中,就是位于父亲的精液中,只因为体积太小无法为肉眼所见,随着胚胎发育,器官体积逐渐增大。到了17世纪,先成论更加发扬光大,认为所有的动植物都是从各物种最原始亲本(例如亚当和夏娃)体内的先成胚胎发育而来,因此世上没有任何新形成的生物。自1675年起,直至18世纪末,先成论 直是广为世人接受的理论。

然而亚里士多德倾向接受后成论:所有个体都是从卵中末分化的物质发育而来,逐渐分化、生长,而男性的精液为胚胎提供形体或灵魂· 导引币个胚胎发育的过程。虽然威廉·哈维也是后成论的支持者,然而后成论在17世纪并未引起太多回响。

德国生理学家暨胚胎学家卡斯柏·沃尔夫振兴了后成 论,成为后成论的忠实支持者。透过显微镜研究鸡的胚胎,他并未发现任何先成器官逐渐变大的证据,而是看见鸡胚 胎的持续生长与发育。1759年,沃尔夫在博士论文《发生 论》(7heoria Generationis)中提到,胚胎发生之初,个体的器官并不存在,而是经过一连串的步骤,从一团未分化的物质中逐步形成。为了巩固自己的理论,他还拿出一条植物的细根,尽管根是已经分化的组织,但少了叶片和其他根的细根一样能长成一株新的植物。沃尔夫积极支持后成论、排斥先成论的作为,只让自己的理论更受争议,他个人的学术生涯也因此受阻。后人证实他的发现,1828年发 表的胚层说也以援引他的理论作为基础。

公元1744年—再生

有关再生的众多故事,可以回溯至希腊神话。宙斯为了惩罚偷火的普罗米修斯,把他绑在岩石上,每天都有老鹰来啄食他的肝脏,肝脏会再生,普罗米修斯因而要忍受日复一日的剧烈痛苦。此外,海 克力斯12项任务中的第2项,就是杀死九头蛇,九头蛇每被砍落一颗头,就会再生出两颗头。古希腊科学家,包括亚里士多德在内,也曾留下有关再生的文字,只不过少了戏剧色彩,他们说的是蜥蜴尾 的再生能力。

直到18世纪,生物学家开始大量探索自然界,对万物进行分类。瑞士自然学家亚伯拉罕.钱伯利 可能是史上第一位以活体生物为材料,进行观察和纪录的实验科学家。在荷兰贵族世家担任孩童导师期间,钱伯利在淡水池塘里发现水蝗(chlorohydraviridissima)’好奇的他发现各个水鎴的触手数目不一。他把水鎴一切为二,这两段水鎴残体又能生长成两个完整的水鎴,把水鎴切几段,就能重新长出几个 水鎴。用这个方法造出七头水蝗之后,他依据希腊神话,替这只水媳命名为海德拉(hydra)。他进行 的其他实验还包括把两只水媳黏合在一起,会愈合成一只新水媳。1744年,他出版的著作中包含这些实验的详尽纪录其及结果。一开始,钱伯利认为水媳是植物,然而看过水蛆的运动后,使他重新思考这样的判定。初次发现水鎴时,钱伯利并没有意识到这些就是1702至1703 年,被安东尼·冯.雷文霍克称为 「 微动物」的生物。

尽管钱伯利的发现受到许多科学团体的赞赏,然而并 未受到科学界一致的接受。被切断的水鎴能够再生成新的 完整个体,与当时学界普遍接受的先成论(preformacion theory)相悖,先成论认为胚胎依据预先存在的构造发育而 来。早期对此抱持怀疑态度的人还包括钱伯利的表亲,瑞士 自然学家查理士.波内。然而1745年,波内在蠕虫身上看 见相似的再生现象,怀疑的态度从而转变。

约公元1741年—脑脊髓液

希波克拉底是史上第一位发现人脑周围有液体的人,这些液体被加伦医生称为「脑室废液」(excremental liquid)。接下来1600多年,科学界对脑脊髓液(cerebrospinal fluid, CSF)没有其他评论 ,几乎忘了它的存在。

科学界对脑脊髓液的兴趣,直到18世纪中期才因伊曼纽斯·史威登堡这位瑞典科学家、炼金术上、 神学家及神秘主义者而重新燃起。完成学业及欧洲旅行后 , 史威登堡在1715年回到瑞典,接下来花20 年研究科学和工程学 , 还描述如何打造一台飞行机器。如他自己所言,他并非是一位实验科学家,反倒对重新发现 「 既有事实」 , 分析其中缘由较有兴趣。他还对神经系统 , 特别是脑 , 尤其戚兴趣。在 他从1741至1744年留下的手稿中,史威登堡认为脑脊髓液是一种酒精性液体,是一种非常珍贵的液体, 由第四脑室顶端流至延髓和脊髓,这分文件在1887年经人翻译后发表。53岁时, 史威登堡在受到威 召,将余生精力全部投注在神学研究,他最为人熟知的作品是探讨来世的《天堂与地狱》 (Heaven and Hell,1758年)

多曼尼哥·寇图伊诺是一位意大利医生,也在那不勒斯大学担任解剖学教授,他切除人类尸体的头颅 , 并让无首尸体成直立姿态,藉此观察脑脊髓液的流动,并发表史上第一篇有关脑脊髓液循环的 文献,为了纪念他的贡献,脑脊髓液又称为 「 寇图伊诺之液」 (Liquor Contunni)。位于脑中央的脉络丛(choroid plexus)负责产生脑脊髓液,脉络丛也是脑脊髓液的循环起点,提供养分给脑和脊髓,并带走新陈代谢后的废物。脑脊髓液还有缓冲的功能 , 当脑部受到猛烈撞击时 , 可以吸收震动,保护脑部,避免颅骨压迫脑部。然而这样的避震功能无法在车祸事件,或运动伤害中发挥足够的保护效果。脑脊 髓液还可替颅骨中的脑部,提供浮力与支撑。

公元1735年—林奈氏物种分类

Mountain lion、puma、panther和catamonr有什么共通处?在美国,这些只是美洲山狮(Felis

concolor)众多俗名中的其中四个。我们经常以俗名来指称自然界中的植物和鸟类,不过俗名可能造成误解。好比Crayfish(螫虾)丶starfish(海星)、silverfish(衣鱼)和」ellyfish(水母)是四种没有亲缘关系的生物,而且都不是鱼。

物种的分类可回溯至古代。亚里士多德据动物的生殖方式加以分类,泰奥弗拉斯托斯则以植物的使用方式和栽培方式作为分类依据。既是植物学家又是医生的瑞典人卡尔.林奈在第 版《自然分类》(systema naturae)中提出种全新的分类学方法(是种为动植物命名及分类的科学方法)。首先,他以拉丁文为动植物命名,利用二名法(属名及种名)的原则,使每种生物都有其独特的学名,这个命直沿用至今。以犬属(Canis)为例,其中的成员如狗 、狼、郊狼和豺狼,每一种都有独特的名系统一种名(Species name)。再者,林奈发展 套多阶层的分类系统,较高层的分类阶级会包含其下低阶层分类阶级中的所有物种。具有亲缘关系的属(genus)可组成科(family)’例如犬属和和狐属(Yulpes)皆包含

于犬科(Canidae)之内。根据林奈发展的分类方法,位阶最高的阶层是界(如ngdom)’界可分为植物界与动物界。

当时普遍流行的《圣经》认为,世上动植物的模样和造物主造物时无异,于是林奈根据物种的外型特征来判断其分类归属,并推测物种间的亲缘关系。一个世纪后,达尔文提出说服力十足的证据认为两种疏远的动物或植物,可能有共同祖先;已灭绝的物种可能是现存物种的祖先。如今科学界的分类系统建基于谱系分类学(Pylogenectic systematics)之上,涵盖现存物种与已灭绝物种之间的关系。

公元1733年—血压

任职牧师的史蒂芬·赫尔斯在50岁那年,获得生平第一个科学发现,从而成为当代英国科学界的先驱。他认为自己最重要的作为,就是设计船只及监狱的通风系统,并发现植物的精子。

在研究植物藤蔓枝液如何流动的过程中,赫尔斯必须阻挡植物汁液的流动,同时又不能使植物受惕。他在植物伤口周遭包扎 片薄囊,意外发现植物流出的枝液导致薄箓膨胀。根据威廉·哈维的观察结果,他将相同的方法运用在测量血压。17世纪初,哈维是研究心脏的先驱,根据他的观察,若将 动脉扎起来阻断血流继续流动,那么这段受阻动脉内的血液会产生博动,受规律的压力影响。

从植物到马。赫尔斯第一个实验对象是马。他把一匹四脚朝天的活马绑在谷仓门上,将 根黄铜管插人马的股动脉,再以具有弹性的鹅气管连接黄铜管和2.7公尺高的玻璃管。当他扎紧缠绕股动脉的束带时,玻璃管中的血液液面超过2.4公尺。他接着研究与维持血压恒定及影响血压变化的变因,例如心输出量(card国c output)’及心脏输出的血液量;周围阻力(peripheral resistance)’即血液流经最细微血管的能力。赫尔斯制作马心的蜡模,藉此得到马心 的体积,乘上心跳速率后获得心输出量。再注射不同物质到已取出的马心中—一像白兰地或生理盐水一藉以评估血液的周围阻力,并测量马心的输出速率,并发现 这些差异反应在微血管的直径上。1733年,他出版《血液静力学》(Haemastaticks)’记载他观察的结果。植物 是赫尔斯最主要的兴趣所在,他将自己在动物上观察到 的现象应用在植物研究。他最重要的发现是在动植物界找到相似的现象,植物汁液就如同动物血液。

公元1729年—近日节律

1729年,法国科学家尚-杰奎斯.多特斯.迪梅伦发现24小时内,含羞草叶片的开展和闭合会跟从规律的周期,即便把植株移到全暗的环境也 样。这是史上第 次关于近日节律(简称CR)的描

述。这种以近24小时为区间的光暗周期变化称为「circardian」(近24小时周期)。近日节律支配动

物体内周期性的生理改变,即便没有环境诱因依然可以维持这样的节律。生物体内与体外环境的同化 (synchroizarion)’是生物维持健康和生存的重要关键。

近日节律并非植物的专利。1950年代,柯林.皮腾卓伊研究果蝇的近日节律;杰根·亚秀夫硏究人类的近日节律,同时真菌、动物和蓝绿藻的近日节律,也成为科学界的研究主题。近日节律对所有动物的睡醒周期(sleep-wake cycle)和取食模式都有重要影响,基因活性、脑波活动、荷尔蒙制造和释放,以及细胞再生也会因为近日节律而产生细微变化。近日节律一旦受到干扰,会对生物的健康产生负面影响,例如为时差所困的人会产生疲劳、方向感混乱和失眠。

哺乳类动物体内负责控制近日节律的主要时钟,位于下视丘内的视上交叉核(SCN)。光线经由视上交叉核处理过后,从视网膜传送到松果腺。松果 腺负责控制褪黑激素(melatonin)的制造与分泌,在晚上达到高峰,白天则逐渐衰减。松果腺配合生物的

生理时钟运作。近日节律的分子基础,是种与生物 时钟和谐运作的内在时钟,基因根据内在时钟调整活性,其蛋白质产物的数品也依此变化,进而调控生物

体的各项生物功能。在缺少光线、温度,或湿度变化的环境诱因的情形下,植物就和动物一样,依然会呈现近日的生理变化,如光合作用、叶片运动、花朵绽放、发芽、生长

和酵素活性,都会产生周期性的改变。如前述,近日节律的基础建立于基因活性的变化之上。

公元1717年—搞疠致病论

虽然古希腊文献里曾提到疟疠致病的现象,但禅疠会传染疾病的说法则起源于中世纪,一直流传至19世纪末,并广为欧洲、印度和中国等地区接受。瘟疠致病论认为,蒸气、雾气或有机质分解产生的毒气(即瘟疠),进入人体后会引起霍乱、黑死病(淋巴腺鼠疫)、伤寒、结核病和疟疾(疟疾原 文意指「不好的空气」)。欧洲黑死病爆发期间,检査病患的医生必须戴上护目镜、着保护衣,照着充满香水味的长喙状呼吸管,来抵抗病人身上坏疽散发出的腐臭味。黑死病泛滥期间.城市的污水被抽干,运送到远处倾倒,沼泽也须排干,以消除冲天恶臭。

1717年,意大利流行病学家、教宗御医纪凡尼·马力亚·朗西西在他的著作《沼泽有毒臭气》(On the Noxious Effluvia of Marshes)提到蚊子和疟疾的关系,并清楚描述瘠疠致病论。1850年代初期,伦敦泰唔士河边没有排水设施、肮脏且臭气冲天的贫民区爆发大规模霍乱。受过医学训练的威廉·法尔,担任伦敦1851年人口普査的助理专员,认为有毒气体就是霍乱的传染源。身为社会改革家,同时奠定现代护理基础的佛罗伦丝. 南丁格尔也支持他的看法,并进 一步推动医院的公共卫生和气味改善工作。相反的,兼任医生和流行病学家的约翰· 史诺,虽然并不知道霍乱的传染源 为何,仍拒绝相信疖疠致病论。1854年,伦敦苏活区爆发大 规模霍乱,根据自己接触过大量病人的经验,他确信受污染的水源才是霍乱的真正起因。

1882年,德国医生罗伯· 柯霍重新检视霍乱弧菌,并提 出病菌说(1890年)之后,痹疠致病论的支持声浪才逐渐消 逝。虽然痹疠致病论已不复存在,其出现仍使大众更注意公 共卫生,促进卫生设施的建立,并排干沼泽和湿地,藉以控制疟疾。