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1614年—新陈代谢

桑托里奥.桑克托里奥斯(SantorioSanctorius’1561~1636年)

汉斯·克雷伯斯(HansKrebs’1900~1981年)

桑托里奥· 桑克托里奥斯这位意大利生理学家、医生,同时是医用体温计(medical thermometer) 的发明人,花30年时间密切注意自己从事各种活动,包括吃、喝、断食、排泄、睡眠和性交,前后的 体重变化。1641年,他出版《医学统计方法》(Ars de static medicina)• 书中描述史上第一个对照实验(controlled experiment)• 并将量化的观念导入医学界。桑克托里奥斯注意到,他排出的粪便及尿液总重不及他所摄入的食物,他认为这是因为人体有 「 无威发汗 」 (insensible perspirtion)的机制,因此开始研究新陈代谢。

累积与分解。所有生物最基础的共通点,就是必须消耗能量来进行各种活动。新陈代谢一词源 自希腊文,有「改变 」 或「瓦解 」 之意,代表生物体内有用来产生能量或消耗能量的活动。同化反应 (anabolic reaction)利用能量进行生物合成作用,形成较大的有机分子,例如负责生长和分化的细胞。 相反的,异化反应(catabolic reaction)则分解这些大分子以产生能量。代谢途径中的化学反应会依序发 生,将某一种化学物质变成另一种化学物质,而这些反应受到酵素的催化。代谢途径包括碳水化合物、脂肪、蛋白质及核酸的代谢,从微生物到人类,各种不同生物体内代谢途径的化学物质都很相似。

汉斯.克雷伯斯在 1930年代进行的研究,奠定我们如今对代谢途径的了解基础。出生于德国的克 雷伯斯是医生,也是生化学家,他发现尿素循环(urea cycle)• 生物透过这样的机制,将体内形成的氨转变为毒性较低的尿素。纳粹禁止他这位犹太人在德国行医,他只好移居英国,也在那儿找到一生最重要的发现: 1937年,他确认柠檬酸循

环(cirric acid cycle• 亦称克氏循环)的存在,这是所有需氧生物体内利用碳水

化合物、蛋白质和脂肪来产生能量的一系列化学反应。为表扬他的成就,1953 年,克雷伯斯获颁诺贝尔生医奖。