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漫長而曲折的生命探索之旅,科學如何被推動或阻礙?

曾夢龍2019-11-11 17:27:31

它講述了一段美好的歷史,不但解釋了偉大的科學家如何做出了偉大的發現,而且解釋了偉大的科學家為什么也會被偏見和看似簡單的常識困住,錯過他們面前的真相。——《科克斯書評》書評

《生命之種》

內容簡介

生命從何源起,人類的寶寶到底從哪里來? 1651 年,英國皇家醫生哈維提出“萬物都來自卵”,第一個轉折點出現了。此后,來自 6 個國家的科學家摩拳擦掌,向著榮耀進發,投入一場尋找生命起源的偵探游戲。在兩個半世紀(1650—1900)的時間里,受根深蒂固的性別偏見影響,又囿于自身的宗教信仰和主觀判斷,無數天才雖然曾經無限接近真相,但卻“成功”地繞過了關鍵線索,得出令人啼笑皆非的錯誤結論,給出誤導性的信息,致使探索的過程充滿了迂回、停滯,乃至倒退。幸運的是,在紛繁蕪雜的線索中,有用的信息最終保留了下來并成為新的研究切入點,真相逐漸浮現。 1875 年,在意大利那不勒斯一個海邊的實驗室里,謎題終于由赫特維希解開。

作者簡介

愛德華?多尼克(Edward Dolnick),美國作家,曾任《波士頓環球報》科學專欄首席作家。文章散見《大西洋月刊》《紐約時報雜志》《華盛頓郵報》等,著有《救援藝術家》(The Rescue Artist)、《偽造者的咒語》(The Forger’s Spell)、《鐘擺宇宙》(The Clockwork Universe)等書,其中《救援藝術家》是《紐約時報》暢銷書,并獲 2006 年“愛倫?坡最佳犯罪實錄獎”。

書籍摘錄

第二十五章 抓捕 !

1837 年 10 月的一個傍晚,生物學家泰奧多爾·施旺(Theodor Schwann)和植物學家、前律師馬蒂亞斯·施萊登(Matthias Schleiden)共進晚餐,討論各自的研究。這兩位杰出的科學家都高度敏感。施萊登患有抑郁癥,自殺未遂之后,他選擇轉行。施旺 1838 年遭遇了一場信仰危機,此后便拋棄了研究事業。十年前,他們都在柏林讀書,自那時起便是好友,聊起天來興致勃勃。

施萊登帶來了重磅發現:他利用顯微鏡觀察植物,不知經歷了多少個日日夜夜,最終發現了植物結構的秘密。他指出,無論什么植物,只要用顯微鏡仔細觀察,就會發現它們均由細胞?無數有序排列的獨立單位?構成。施萊登一直在繼續生物學家羅伯特·布朗所做的研究。布朗不僅以斯芬克斯之鼻為實驗對象看到了“布朗運動”,還通過顯微鏡觀察蘭花,發現了類似細胞的結構。不僅如此,每個細胞均包含一個圓狀結構,布朗將其稱為“細胞核”。施旺這才恍然大悟。他一直在研究動物而非植物,不過他在不同的組織中也發現了深色斑點。難道這些黑色斑點也是“核”? 他們來不及喝完咖啡,便匆匆趕往施旺的實驗室一探究竟。

施萊登率先公布自己的發現:所有植物均由細胞構成。施旺緊隨其后:所有動物均由細胞構成。這是細胞理論的雛形,生物學界最終找到了自己的基本法則。物質由原子構成;植物和動物由細胞構成。不久之后人們發現,每個微小的細胞就像一個復雜而又忙碌的工廠,里面堆滿呼呼作響的機器。生命的關鍵并非人們千年以來一直尋找無果的“生命力”,相反,細胞才是生命的標志。

20 年后,也就是 1858 年,德意志醫生魯道夫·菲爾紹(Rudolf Virchow)取得了最后一個關鍵發現。 “一切細胞來源于細胞。 ”現在,積木理論中的每一塊積木已經準備就緒。更重要的是,精子和卵子的本質終于清晰明了。如果精蟲事實上就是精細胞,卵子事實上就是卵細胞,那么這對神秘的結構終于獲得了同等地位。人們一直以來都在爭論精子和卵子哪一個真正重要;如今,這場“百年戰爭”終于達成和解,精子和卵子雙方被賦予了同等重要的地位。最重要的是,如果菲爾紹所言屬實,“任何發育完全的組織都可以追溯到細胞”,那么受孕現象終于可以解釋得通了。受孕并不像卵源論者所說的,胚胎原本隱藏于卵子之中,而精液只起到激活卵子的作用。同樣,受孕也不像精源論者所說的,胚胎原本隱藏于精蟲之中,而卵子只是提供營養助其發育。現實情況是,精細胞和卵細胞以某種方式合成全新的單個細胞,不久后這個細胞會分裂、生長,而不計其數的后繼細胞也會重復這一過程,直到一個微型胚胎變成結構復雜的多細胞生命。

這三位年輕的德意志科學家是眾多同事和競爭者中的佼佼者,他們 19 世紀中期創立的細胞理論至今仍是每所學校的生物公開課都會講授的內容。這種洞察或許應該來得更早些,但是意外頻發,加之時運不濟,這些早期探索者屢受挫折。主要問題在于當時的顯微鏡無法勝任該項研究。1665 年,羅伯特·胡克在觀察軟木時看到“許多小匣子”,這讓他想起蜂房的巢室,于是他啟用了 cell(蜂房的巢室;細胞)這個術語。看到這些空匣子,胡克明白了為何軟木如此之輕,不過他觀察的是枯木,此外他并沒有意識到活體細胞不僅是幾何形態,還是一個繁雜的工作間。

縱觀 18 世紀,顯微鏡粗制濫造,使用不便(且正如我們所知,并不流行)。除此之外,科學家的關注方向發生偏差。植物細胞比動物細胞易于觀察,植物的細胞壁厚而結實,動物的細胞膜纖薄脆弱,大體來說,它們之間的差別相當于紙箱之于塑料袋。然而在 18 世紀,幾乎沒有人在顯微鏡下觀察植物。植物學家將時間用于植物分類而非顯微鏡觀察,而大部分科學家更偏愛動物研究。最終,到了 19 世紀上半葉,顯微鏡得以改進,而植物生物學再次流行起來。

即使如此,細胞理論在幾十年后才被人接受。現在看來,菲爾紹的宣言“一切細胞來源于細胞”(Omnis cellula e cellula)與權威格言“合眾為一”(E pluribus unum)有異曲同工之妙:起初飽受爭議,最終無法忽視。魯道夫·菲爾紹將見證這一轉變。

菲爾紹是細胞理論先驅中最杰出的人物。他才華橫溢,但是固執己見,剛愎自用。他的身影時常出現在各種毫不相干的活動場合。他在柏林街頭加入了 1848 年歐洲革命的戰斗;他第一個發現細胞病變會引發癌癥;他與海因里希·施里曼(Heinrich Schliemann)一同探索了特洛伊遺址;他堅決反對進化論(與此同時,他半心半意地強調自己并非有意嘲諷達爾文及其追隨者是“赤裸裸的傻瓜和白癡”);他揭穿了所謂的尼安德特人頭骨大發現,堅持認為它是現代人的頭骨,只是被人打碎而已。

對于菲爾紹,爭議如同家常便飯。(他的醫學觀點也反映出其好斗的本性,比如他認為癌癥是“細胞間的內戰”。)菲爾紹是改革者,是政治自由主義者,他領導了一場保護水質清潔與食物安全運動。 13 年來,他一直擔任德意志帝國議會議員。他堅持認為軍費預算過高,一度惹怒奧托·馮·俾斯麥(Otto von Bismarck),導致這位鐵血宰相向他發起決斗。作為被挑戰的一方,菲爾紹有權選擇武器。他準備了兩根香腸,一根給俾斯麥,另一根留給自己:給俾斯麥的那根是生腸,里面布滿了能感染毛線蟲病的微生物;而留給自己的那根是熟腸,安全無患。俾斯麥收回了挑戰。細胞理論之爭之所以曠日持久,部分原因在于它大膽而全面的主張,還有部分原因在于它讓生命力是否存在這一懸而未決的問題再次成為人們關注的焦點。泰奧多爾·施旺自豪地支持機械論,反對生命力。他表示,生命是化學物質,而非氣息或仙塵。

生物有機體“與建立在物質基礎之上的無生物界相同,遵循看不見的規律”。前行之路非常明確:不要費心研究生命力,而要弄清楚細胞如何運作。尤其要弄清楚精細胞與卵細胞如何運作。長久以來,這一問題晦澀難懂;如今,它似乎有了解決之道。1875 年,一位自負而暴躁的德國科學家首先找到了答案,他就是奧斯卡·赫特維希(Oscar Hertwig)。當時,他在意大利那不勒斯的實驗室工作。赫特維希并不是性研究的先驅。他個頭不高,留著整齊的胡須,禿頂,頭腦聰慧;他為人冷漠,令人生畏,幾乎蔑視每一個人,除了弟弟理查德,他是赫特維希諸多科學論文的合作者。這些論文主要與海膽相關。起初,赫特維希和理查德從未想過這種生物的性生活值得密切關注。然而,當這對脾氣暴躁的兄弟相互合作,共同研究生活于那不勒斯灣的多刺海洋生物時,他們創造了生物學的歷史。當時,赫特維希來到那不勒斯一個新成立的海洋科學研究站工作。起初,那里的科學家尚未決定哪些海洋生物最適合研究。海膽一舉成名完全出于偶然,就像一個龍套演員某日碰巧有機會為一位好萊塢大腕侍奉酒水一樣。

研究海膽是當地一位漁民的建議,他嗜好大口吞食海膽卵。海膽卵美味可口(愛好者們可以作證),數量豐富(一只海膽就可以產出大量海膽卵)。更重要的是,這種物質透明可見,可以利用顯微鏡觀察其內部結構,這就好比在建筑工地找到了一處觀測孔一樣。對于科學界而言,海膽卵通體透明,容易采集,如果實驗之后尚有剩余,還可盡情享用,實乃天賜之物。

1875 年春天,赫特維希透過顯微鏡觀察一顆海膽卵。海膽與青蛙相同,屬于體外受精動物。在顯微鏡下,海膽卵內部的細胞核清晰可見。赫特維希將一滴海膽的精液滴到卵子旁邊,發現一顆微小的精細胞頂向卵子外層。片刻之后,這顆精細胞的細胞核出現在卵子內部,就像一張投入漂流瓶中的便條。當精細胞的細胞核出現在巨大的卵子中時,它不斷游動,最終游向卵子的細胞核。突然之間,兩顆細胞核就在赫特維希的眼前發生接觸,合而為一。赫特維希是有史以來目睹受精過程的第一人。曾經的兩顆細胞核合為一顆,赫特維希以漫長職業生涯中罕有的詩意筆觸寫道:“就像太陽從卵中升起。”

赫特維希也注意到,一顆精細胞只能讓一顆卵細胞受精。接下來的任務,便是弄清楚受精的卵子在分裂時發生了什么。赫特維希仍然是領路人。日復一日,他和同行胚胎學家興致勃勃地觀察卵細胞如何一分為二,二分為四……這一過程極其復雜,即使理論上看來也是如此,因為每個微小的細胞內部包含一系列全速運轉的發動機和裝配線,這就好比一整座全自動波音飛機生產工廠在一個小點之中運轉,殊不知這個小點只是字母 i 的一部分,而字母 i 也只不過是單詞 impossible 的一部分。

魯道夫·菲爾紹,來自:維基百科

為什么每個細胞內部都各自包含一座復雜的工廠?卵子受精從一個單細胞開始。當這個細胞一分為二,是否兩個子細胞分別繼承母細胞一半的機器設備?或者說,所有的機器與設備都會復制自己,只不過搬到了新家?兩種可能性似乎都不可思議。機器復制自己?機器一分為二,但是運轉不受任何影響?更糟糕的是,這不是一次性謎題,而是無限循環的謎題。第一個受精卵分裂為數十億個新細胞,每個新細胞的復雜程度都令人難以想象。此外,細要同時完成兩個不同層面的運作:首先,細胞與細胞之間通過復雜的方式相互作用;與此同時,每個細胞內部的無數構成要素在高速運轉。

漢斯·德里施(Hans Driesch)是那不勒斯的一位動物學家,他精心設計了一種實驗以觀察細胞的變化。德里施恃才傲物,四面樹敵;然而,沒有人可以否認他的科學才能。他的想法是,先等海膽的受精卵細胞一分為二,再輕輕地將這兩個細胞切開,會出現什么情況?德里施繼續觀察。或許這兩個細胞都會死去。然而,它們都活了下來。又或許這兩個細胞都會存活,其中的一個細胞會發育成母體的一半,另一個細胞會發育成母體的另一半。然而,結果并非如此。

事實是,兩個細胞最終都長成了完整健全、“身心健康”的成年海膽。德里施嘗試用新的方法進行實驗:這次他等卵細胞一分為二,然后二分為四,再將分裂之后的細胞切分為四部分。同上次一樣,這四部分均發育成完整的、一切正常的成年海膽。觀察是一回事,理解是另一回事。德里施的發現在生物學界掀起一場斗爭。(德里施樂于激怒同僚和對手,他堅持認為自己證實了飽受攻擊的生命力的存在。他表示,生命包含純化學無法解釋的奧秘。)然而,后續的故事實際上更加復雜。再經過數輪細胞分裂之后,個體細胞均喪失了發育成完整有機體的能力。相反,這些細胞特化了。以哺乳動物為例,特化細胞會分別發育成骨頭、大腦、心臟和毛發。

要解開細胞生長和細胞分裂之謎還需要花費數十年時間,這一探索一直持續到 20 世紀上半葉。這條探索之路將歷經基因、染色體和 DNA 的發現階段,它們是現代生物學的標志。染色體如何決定生物屬性,如何在精子和卵子中分配,又如何在胚胎體內組合?這些問題的答案都將成為日后的偉大發現。細胞之謎的解開讓我們明白,在細胞分裂過程中,藏于細胞之內的“機器設備”會不斷傳遞;除此之外,規定這些設備在新細胞中如何運行的指令也會傳遞下去。

在此之前的種種時刻,從沒有人設想過這樣的答案:1677 年,安東尼·范·列文虎克從婚床上一躍而起時沒有;1827 年,卡爾·馮·貝爾在狗的卵巢中驚訝地發現卵子時沒有;1875 年,奧斯卡·赫特維希看到精細胞和卵細胞合二為一時也沒有。誠然,這些 “科學偵探”先驅并未破解這一謎題,但是他們發現了至關重要的線索,靠著這些線索,后繼者最終得以圓滿結案。

我們永遠不會知道哪位先祖最先提出“寶寶從哪里來”這一問題。或許是一位剛剛分娩的媽媽,在揮汗如雨、痛苦呻吟之后終于將寶寶帶到了這個殘酷的世界;或許是一位圣賢,他一邊盯著壁爐的火焰,一邊推敲不為人知的謎題;或許是一個機靈的 6 歲小孩,新出生的妹妹讓她好奇不已。不僅是他們,還有無數其他先祖,都會望著身邊哭叫喊鬧的嬰兒,望著天上飛鳥、地上爬蟲,發自內心想要知道這些不可思議、令人瘋狂的生物到底如何形成。不過接下來,一絲迸出的火星或一聲驚雷便足以打亂他們的思緒,讓他們停止思考,繼續生活。

我們都是如此。很多事物本該令我們目瞪口呆,但熟悉感抹殺了驚訝感。作家約翰·斯圖爾特·科利斯(John Stewart Collis)曾說,我們會認為從帽子里變出兔子是魔法。非也。真正的魔法是兔子生出兔子。


題圖來自:維基百科

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