公元1890年—病菌说

自19世纪前半开始回溯至古代的中国、印度和欧洲,人们普遍相信霍乱、黑死病等传染性疾病是借着「肮脏的空气」或璋疠而传播,一旦接触到含有腐质的有毒蒸气便会得病。

微生物学之于现代医学和医疗专业而言,最重要的贡献非病菌说莫属,是医生施用抗生素对付传染性疾病时所需的基础背景知识。人类花几百年时间,才逐渐接受某些疾病是透过微生物传播的观念,再者有许多科学家提出强而有力的证据,使医学界和科学界开始接受这样的学说。

1670年代,荷兰显微镜制造师安东尼·冯.雷文霍克利用简单的显微镜,首次观察到微生物的一模一样,过了近两个世纪。1862年,刘易斯‧巴斯德进行 项决定性的实验,推翻流传已久,认为生物可起源自无生物的自然发生论。

罗伯‧柯霍原是一位平凡的德国医生,在近30岁时收到妻子赠送的生日礼物:显微镜,之后一跃成为微生物学界的先驱。1876至1883年,他 发现细菌能导致炭疽病、结核病和霍乱,并发 明分离纯化病原菌的培养方法。1890年,他定 下判断疾病与微生物之间因果关系的法则,至 今依然为科学家所沿用: (l) 所有病人体内都有相同的微生物; (2)致病微生物能够分离并纯化培养; (3)健康个体接触到相同微 生物会致病; (4) 从罹病个体身上必能重新分离出相同的微生物。19世纪中期,每7个死 者就有1人因结核病而死,柯霍对结核病的研究贡献良多,因而获得1905年诺贝尔奖。

公元1885年—负回馈

体内恒定是生物学最基础的原则,是克洛德‧贝尔纳德于 1850 年代所提倡的观念,到了 1920 至 1930 年代由华特.坎农继续发扬光大。所谓体内恒定即指生物面对外在环境变动时,依然保持体内环 境恒定的过程。不管在生物或非生物体内,负回馈控制系统都具备三个关键组件:侦测系统改变的接收器 (receptor) 、将变动状况与设定值或标准值做比较的控制中心 (control center),在生物系统中则 与正常值做比较,以及启动适当动作使系统回归参考点的反应器 (effecwr),以此类推,烤箱和恒温 器等家电就是负回馈系统。

许多内分泌系统,例如血糖浓度的高低就受到体内恒定负回馈系统控制中心循环且持续的调控。吃完富含碳水化合物的大餐之后,血糖浓度上升,刺激胰脏 「B」细胞分泌胰岛素,葡萄糖进入细胞后,肝脏负责将多余的糖分以肝醣 (glycogen)的形式储存起来。每 100 毫升血液含有 70 至 110 毫克葡萄 糖为正常的血糖浓度,血糖浓度太低时,胰岛素会停止分泌,胰脏的「a」细胞释放升糖素 (glucagon),刺激肝醣分解为葡萄糖,并降葡萄糖释放到血液中。

许多由酵素催化的生化反应,其终产物亦受到负回馈抑制机制的调控,使终产物生成适当的数量,与生化途径中的催化酵素反应,避免合成不必要的额外化合物。

公元1884年—革兰氏染色法

1884年,甫自医学院毕业 年,在柏林太平间工作的丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·革兰发展出一种染色法,使他得以看见人体肺部组织内的部分细菌。这 项简单却重要的发明使后人得以据细胞膜的厚度将许多细菌分为两个广阔的类群,有助于细菌威染的诊断及治疗。

细菌、植物和真菌具有细胞壁,动物或原生动物则无。细胞壁可以保护细胞并提供支撑,当过多水分进入细胞时,细胞壁可以防止细胞胀破,这或许是细胞壁最重要的功能。细胞壁会困住部分染剂, 使细菌得以现形。

进行革兰氏染色法时,将龙胆紫(Gentian violet)倒在含有细菌的玻片上,再添加卢戈耳溶液 (Lugol’s solution)固定染剂,接着以乙醇清洗玻片。某些细菌(例如引起肺炎的肺炎链球菌)因保留 染剂而呈现紫色,即所谓的革兰氏阳性菌(Gram-positive bacteria) ; 其他微生物(如引起斑疹伤寒及 梅毒的细菌)会因为经过乙醇清洗而去色,可能呈现红色或粉红色,此为革兰氏阴性菌(Gram-negative bacteria)。革兰氏阳性菌细胞壁厚,将紫色染剂困在细胞质内;革兰氏阴性菌细胞壁薄,染剂很快就被乙醇冲洗殆尽。医学上经常以革兰氏染色法作为诊断工具,判断病原菌究竟是革兰氏阳性菌或阴性 菌,据此选择抗生素。

多数抗生素对于革兰氏阳性茜或阴性菌有偏好,青霉素可以抵抗多种革兰氏阳性菌,干扰细菌合成细胞壁的过程,影响细菌的生存能力(动物细胞不具细胞壁,因此青霉素对动物细胞而言没有毒性)。革兰氏阴性菌外膜厚,可保护其免受人体防御机制的伤害,并可阻止多种抗生素进入其细胞内。胺基苷类抗生素(aminoglycoside)用来治疗革兰氏 阴性菌引发的感染。

公元1883年—优生学

绝顶聪明的弗朗西斯· 高尔顿,对科学有许多贡献,例如气象学(天气图) 、统计学(相关性分析与回归分析)、犯罪学(指纹)。自从读过表亲査尔斯·达尔文所著的《物种起源》之后,他获得灵厌. 认为如果天择选择让最适者生存,并将其特征遗传给后代,那么天择观点一定也能运用在人类身上:人类的能力和智力一定也能遗传。

1833年,高尔顿发起一项他称之为「优生学」的社会运动,试图改善人类族群的遗传组成。20世纪初,有些人称之为社会达尔文主义(Social Darwinism)的优生学发展至巅峰,世界各地的政府及社 会上德高望重,极具影响力的人士都大力提倡,他们认为推广优生学可以消除如血友病、杭丁顿氏舞蹈(Huntington’s disease)等造传疾病,使人类族群变得更聪明、更健康,而持反对意见的人则认为优 生学只是国家使歧视合理化,违背人权的手段。

世界各国促进优生学运动的动机各有不同。英国想要藉此降低都市穷人的生育率;美国许多州立法禁止癫痫症患者、低能人士及不同人种间的 通婚,自1909至1960年代,美国32州推动 优生学运动,共禁止6万人生育。

纳粹德国力倡纯正优越的北欧种族,是 史上最狂热的优生学政策,力图删去不适生存 者及不良人种,导致数百万犹太人、吉普赛人和同性恋者因此丧命。到了第二次世界大战期间,提到优生学就使人联想到纳粹德国。再者,考羣优生学具有强烈的主观意识,且通常带有 偏见,使优生学运动逐渐式微。近来有些人认为,医学基因工程检查母体内的胚胎是否有基 因突变,或藉此操控胎儿的基因,无疑是新型的优生学。但这是个人的选择,而非国家。

公元1883年—遗传生殖质说

从古希腊时代开始,人类认为亲本使用或不使用某项身体特征,会遗传给子代,而19世纪的尚巴蒂斯才立马克正式提出这个观念。整个19世纪,拉马克的遗传理论和融合遗传蔚为风尚。来自德国的奥古斯特.魏斯曼名列史上最伟大的生物学家之一,他以一场戏剧性的实验大大削减拉马克遗传理论的支持度:他连续截除五代共901只老鼠的尾巴,没有发现任何一只老鼠出生时没有尾巴,且第五代老鼠的尾巴长度和第代老鼠的尾巴长度一样。魏斯曼并没有直接推翻拉马克的遗传理论,而选择让实验结果说话。

1883年,魏斯曼提出遗传生殖质说,并在1893年出版《生殖质:遗传理论》(TheGerm-Plasm: A Theory of库redity)详加阐述。魏斯曼强调生殖质(即我们现在所知的基因)在世代间稳定传递,不会 发生改变。魏斯曼的理论认为环境对生殖质的影响非常小,就算改变个体的特征,也不会影响生殖质。

魏斯曼在体质(somamaterial)和生殖质(germmaterial)之间画一条清楚的界线,他认为在多细胞生物体内,生殖质独立于其他体细胞之外,体细胞(即非生殖细胞的细胞)与身体各项活动有关,但不具备遗传功能,而最重要的一点:生殖质是生殖细胞或配子(即精细胞和卵细胞)中最关键的元素。

魏斯曼的遗传生殖质说深刻影响后人的生物性思考,例如重新发现门德尔的遗传定律,以及确认染色体在遗传过程中扮演的角色,然而近来有许多发现破坏生殖质说的正确性。魏斯曼认为生殖质有定的数量,随着体细胞成功分裂后,后续世代的生殖质会越来越少。然而,当科学界成以体细胞核转移(somaticcell nuclear transfer)成功复制出具有完整生殖质的多莉绵羊,魏斯曼的理论基础也随之崩解。此外,近来拉马克的遗传学说因表观遗传学的相关研究再度复苏。

公元1882年—先天性免疫

1882年,在西西里岛拥有一座私人实验室的俄国动物学家艾利·梅契尼科夫,正在美西纳(Messina)海滩漫步,发现枚海星,他用玫瑰刺刺穿海星。隔天,他发现海星的细胞覆满玫瑰刺,彷佛要吞下这些刺,这景象令他大吃惊。梅契尼科夫称这种现象为吞噬作用(phagocyrosis),是多数脊椎动物、无脊椎动物、微生物和植物对抗病原菌或外来细胞时所发展的早期立即性防线,具有广阔的生物意义,不仅仅局限于海星。海星是种原始的无脊椎动物,6亿年来几乎没有改变,是研究免疫系统演化的好材料。梅契尼科夫是首位发现先天性免疫的科学家,并因此在1908年获得诺贝尔奖。

先天性免疫是一种快速的非专一性反应,不需要预先接触到外来生物或其细胞,且具备多种广泛的防御模式:生物面对病原菌的威胁时,第 道防线是身体的物理屏障,例如皮肤、外壳、黏液、肠 道和呼吸系统的细胞。吞噬作用可由嗜中性细胞(neutorphil)、哺乳类动物的白血球和组织内巨噬细 胞(macrophage)来发动。伪口释放出的化学物质会引发发炎反应,阻止戚染范围继续扩大。接着,含 有30种以上蛋白质(例如自然杀手细胞和干扰素)的补体系统(complement system)上场,负责摧毁丶消灭入侵者。

先天性免疫和后天性免疫一一-仅哺乳类动物具有后天性免疫系统,且只有在接触到病原菌或外来细胞之后才会触发—发挥的前提建立在受威胁的动物能够分辨自体细胞与外来细胞。以先天性免疫为例,一旦侦测存在于微生物体内而非动物体内的样式辨识分子(pattern recognition molecule),便会触发系列的免疫反应,就像被梅契尼科夫刺穿的海星一样。

约公元1882年—温度接收

将核心体温维持在一定的范围内,让生化和生理反应能够进行,是动物生存的关键能力。感温能力让动物得以侦测外在环境的温度和内在环境的温度(即体温或核心体温)。内温动物(通常又称温血动物),例如鸟和哺乳类动物,需要稳定的体温才能生存,并藉由新陈代谢的过程产生绝大部分的 体热。相反的,外温动物(即所谓的冷血动物),例如部分鱼类、两栖动物和爬虫类的体温,则是随外在环境的热源而变化。多数昆虫为外温动物,飞行中的昆虫会产生大量体热,必须想办法使之散失, 才能维持正常的体温。

1801年,德国化学家、物理学家乔汉·瑞特首次提出证据,证实冷与热隶属于戚官质量(sensory quality)’是四种触觉中的其中两种。1880年代早期有许多科学家注意到皮肤上的戚官接收器对温度 具有选择性的敏厌程度,这些接收器就是温度接受(chermoreceptor)。1936年,科学家在猫的舌头 上找到的单一条神经纤维,侦测到其响应冷热刺激所发出的电讯号;1960年,在人类的皮肤上发现相 同的现象。

一般而言,温度感受器位于动物身体的外层,根据动物种类的不同,对不同范围的温度和温度变 化的速率具有选择性敏烕度。鸟类和哺乳类动物下视丘的温度威受器可以促进产热或散热的过程,使内在体温保持在正常范围内。

包括响尾蛇在内的凹纹头毒蛇,其眼睛前方和 下方具有能戚受猎物体温的小孔,同时还能藉此判断猎物的方向和距离。多数昆虫的温度威受器位于 触角之上。吸血性的昆虫,例如蚊子和虱子,受害 动物的体温是刺激牠们吸血的主要影响因子,并导引牠们的飞行方向。

公元1882年—有丝分裂

细胞学说的基本主旨:所有的细胞都源自于原先存在的细胞,也是所有生物具备生殖能力的特征。 德国解剖学家华尔特·佛莱明是细胞遗传学领域的先驱,硏究细胞的遗传物质:染色体,是他的研究 奠定我们对细胞分裂的了解基础。

1879年,他以苯胺(aniline)替细胞染色,藉此看见蝾螈胚胎细胞中的细胞核结构,核内有一团缠绕的丝状物质,他称之为染色质(chromatin)。佛莱明还观察到这些成对的丝线—后被命名为染色体—会沿着纵向分裂成两半,每一半未配对的染色质会各自往细胞的两侧移动,他称这样的过程为有丝分裂(mitosis)’并在他的著作《细胞质、细胞核及细胞分裂》 (Cell-Substance, Nucleus, and Cell­Division’1882年)中详加描述。后代的科学家发现有丝分裂一结束包含核内染色体分离,共有六个明显的阶段—亲本细胞便分裂为两个子细胞,每个子细胞具有和亲本细胞完全相同的遗传物质,正是所谓的细胞质分裂(cytokinesis)。

佛莱明既没有注意到格里哥·门德尔的研究工作,和他所提出的遗传定律;也没有发现生物的特征,是藉茗染色体中的基因传递给下一代。直到20世纪初,科学界才确知基因就是遗传的基本单位,此前,这两人的研究工作一直默默无闻。

有丝分裂是所有生物体内最基本的生物程序,举凡细胞数量的增加,和所有单细胞生物的繁殖,都要依赖有丝分裂。有丝分裂还能修复受伪或耗损严重的细胞及组织。更甚者,有丝分裂的相关研究引领干细胞科技的发展,利用未分化的干细胞分裂成特定的组织。因此不难了解有丝分裂和染色体的发现,名列细胞生物学领域最重要的10大发现,在科学界的百大发现中也占有一席之地。

 

公元1880年—向旋旋光性

査尔斯·达尔文及其子弗朗西斯,对植物的向旋旋光性厌到好奇。在相关的研究中,他们测试金丝雀草(canary grass)的茎干周遭的中空子叶鞘(coleoprile)。这对父子发现当子叶鞘的尖端遭到覆盖,植物的向光反应就会消失。进一步研究后,他们发现子叶鞘的尖端对光最为敏厌,而弯曲的现象则发生在子叶鞘的中部。査尔斯在《植物邋动的力晕》 (The Power of Movement in Plants• 1880年)叙述这些观察的结果,奠定后世发现植物生长素(auxin)的基础,这是人类发现的第一种植物荷尔蒙。

荷裔美国生物学家弗里茨.温特还是研究生的时候,便据达尔文的发现加以扩展。温特认为子叶鞘的尖端含有具戚旋旋光性的化学物质,他称之为植物生长素,其化学结构为吲睽乙酸(indoleaceric acid, IAA)。1927年,温特和基辅大学的尼可莱.柯列德尼各自发现植物生长素是 种帮助植物生长的荷尔蒙,集中在植物体离光源最远的地方,也就是茎的背光面。植物生长素可以活化胞壁扩张蛋白(expansin),弱化植物茎干细胞的细胞壁。背光的细胞生长的速度比向光的细胞快,造成茎往光源方向弯曲。柯列德尼一温特理论认为植物在白天时必须伸展叶片,以便进行光合作用,依此解释植物向旋旋光性,然而这一点至今依然饱受争议。

如果将植物横倒放在地面上,植物依然是枝条往上生长,根系往下生长。植物的生长激素(somarorropin)除了影响植物的向旋旋光性,还会影响植物的向地性(geotropism),相较于子叶鞘较接近地面的部分,较远离地面的部位会累积较多植物生长素,使植物根系往地面生长。

植物生长素还有其他的方式可以促进植物生长,例如影响植物生长的程度和形态。植物生长素生成于植株 的尖端部位会开始往下移动,造成植物枝条的细胞延长,并会影响分枝的过程。当植物枝条尖端的植物生长素开始减少,即代表这根枝条的生产力开始下降,此时植物 生长素会重新分配,往生产力旺盛的枝条流动。

公元1878年—酵素

少了酵素 , 生命无法维持。活体细胞内要进行无数的化学反应:新细胞汰换老旧的细胞;简单的分子键结成复杂的分子;食物经过消化转换为能量;废弃物必须排出;还有细胞生殖。这些反应包含建构与分解,通称为新陈代谢。每一种反应的发生 , 都需要一定程度的能量供给(即活化能),缺乏 能筮 , 反应无法自行发生。而酵素的存在 通常为蛋白质或RNA 一一可以减少反应所需的活化能,并使反应速率增加百万倍。反应发生的过程中,酵素不会减少,化学性质也不会改变。

生物体内每一种化学反应都是某种途径或某种循环的其中一节,多数酵素具有极高的专一性,只针对反应途径中的一种受质(反应物)发挥作用,产生新陈代谢过程中需要的产物。生物活体细胞类 有4000种以上的酵素,大部分都是蛋白质 , 具有独特的立体构型,使酵素具有独特的专一性。酵素的 命名通常是在受质的英文字尾加上 「ase」,不过在化学相关的文献中,会有另外的特殊指称。

17世纪末、18世纪初 , 人们只知道胃的分泌液可以消化肉类,而唾液和植物萃取液可以使淀粉分解成简单的醣类。1878年 , 德国生理学家威廉‧屈内首次创造出 「 酵素」(enzyme)这个名词,用来指称他发现的蛋白质酵素—胰蛋白酶(trypsin),到了1879年,柏林大学的爱德华·布赫纳首度证明酵素在活体细胞外依然可以发挥功用。1926年,在康乃尔大学研究刀豆的詹姆士‧桑诺完成人类史 上第一次分离酵素尿毒酶(urease) ‘并使之析出 结晶,并提出决定性的证据证实其为蛋白质。桑诺 也是1964年诺贝尔化学奖的共同得主。