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漫长而曲折的生命探索之旅,科学如何被推动或阻碍?

曾梦龙2019-11-11 17:27:31

它讲述了一段美好的历史,不但解释了伟大的科学家如何做出了伟大的发现,而且解释了伟大的科学家为什么也会被偏见和看似简单的常识困住,错过他们面前的真相。——《科克斯书评》书评

《生命之种》

内容简介

生命从何源起,人类的宝宝到底从哪里来? 1651 年,英国皇家医生哈维提出“万物都来自卵”,第一个转折点出现了。此后,来自 6 个国家的科学家摩拳擦掌,向着荣耀进发,投入一场寻找生命起源的侦探游戏。在两个半世纪(1650—1900)的时间里,受根深蒂固的性别偏见影响,又囿于自身的宗教信仰和主观判断,无数天才虽然曾经无限接近真相,但却“成功”地绕过了关键线索,得出令人啼笑皆非的错误结论,给出误导性的信息,致使探索的过程充满了迂回、停滞,乃至倒退。幸运的是,在纷繁芜杂的线索中,有用的信息最终保留了下来并成为新的研究切入点,真相逐渐浮现。 1875 年,在意大利那不勒斯一个海边的实验室里,谜题终于由赫特维希解开。

作者简介

爱德华‧多尼克(Edward Dolnick),美国作家,曾任《波士顿环球报》科学专栏首席作家。文章散见《大西洋月刊》《纽约时报杂志》《华盛顿邮报》等,著有《救援艺术家》(The Rescue Artist)、《伪造者的咒语》(The Forger’s Spell)、《钟摆宇宙》(The Clockwork Universe)等书,其中《救援艺术家》是《纽约时报》畅销书,并获 2006 年“爱伦•坡最佳犯罪实录奖”。

书籍摘录

第二十五章 抓捕 !

1837 年 10 月的一个傍晚,生物学家泰奥多尔·施旺(Theodor Schwann)和植物学家、前律师马蒂亚斯·施莱登(Matthias Schleiden)共进晚餐,讨论各自的研究。这两位杰出的科学家都高度敏感。施莱登患有抑郁症,自杀未遂之后,他选择转行。施旺 1838 年遭遇了一场信仰危机,此后便抛弃了研究事业。十年前,他们都在柏林读书,自那时起便是好友,聊起天来兴致勃勃。

施莱登带来了重磅发现:他利用显微镜观察植物,不知经历了多少个日日夜夜,最终发现了植物结构的秘密。他指出,无论什么植物,只要用显微镜仔细观察,就会发现它们均由细胞⸺无数有序排列的独立单位⸺构成。施莱登一直在继续生物学家罗伯特·布朗所做的研究。布朗不仅以斯芬克斯之鼻为实验对象看到了“布朗运动”,还通过显微镜观察兰花,发现了类似细胞的结构。不仅如此,每个细胞均包含一个圆状结构,布朗将其称为“细胞核”。施旺这才恍然大悟。他一直在研究动物而非植物,不过他在不同的组织中也发现了深色斑点。难道这些黑色斑点也是“核”? 他们来不及喝完咖啡,便匆匆赶往施旺的实验室一探究竟。

施莱登率先公布自己的发现:所有植物均由细胞构成。施旺紧随其后:所有动物均由细胞构成。这是细胞理论的雏形,生物学界最终找到了自己的基本法则。物质由原子构成;植物和动物由细胞构成。不久之后人们发现,每个微小的细胞就像一个复杂而又忙碌的工厂,里面堆满呼呼作响的机器。生命的关键并非人们千年以来一直寻找无果的“生命力”,相反,细胞才是生命的标志。

20 年后,也就是 1858 年,德意志医生鲁道夫·菲尔绍(Rudolf Virchow)取得了最后一个关键发现。 “一切细胞来源于细胞。 ”现在,积木理论中的每一块积木已经准备就绪。更重要的是,精子和卵子的本质终于清晰明了。如果精虫事实上就是精细胞,卵子事实上就是卵细胞,那么这对神秘的结构终于获得了同等地位。人们一直以来都在争论精子和卵子哪一个真正重要;如今,这场“百年战争”终于达成和解,精子和卵子双方被赋予了同等重要的地位。最重要的是,如果菲尔绍所言属实,“任何发育完全的组织都可以追溯到细胞”,那么受孕现象终于可以解释得通了。受孕并不像卵源论者所说的,胚胎原本隐藏于卵子之中,而精液只起到激活卵子的作用。同样,受孕也不像精源论者所说的,胚胎原本隐藏于精虫之中,而卵子只是提供营养助其发育。现实情况是,精细胞和卵细胞以某种方式合成全新的单个细胞,不久后这个细胞会分裂、生长,而不计其数的后继细胞也会重复这一过程,直到一个微型胚胎变成结构复杂的多细胞生命。

这三位年轻的德意志科学家是众多同事和竞争者中的佼佼者,他们 19 世纪中期创立的细胞理论至今仍是每所学校的生物公开课都会讲授的内容。这种洞察或许应该来得更早些,但是意外频发,加之时运不济,这些早期探索者屡受挫折。主要问题在于当时的显微镜无法胜任该项研究。1665 年,罗伯特·胡克在观察软木时看到“许多小匣子”,这让他想起蜂房的巢室,于是他启用了 cell(蜂房的巢室;细胞)这个术语。看到这些空匣子,胡克明白了为何软木如此之轻,不过他观察的是枯木,此外他并没有意识到活体细胞不仅是几何形态,还是一个繁杂的工作间。

纵观 18 世纪,显微镜粗制滥造,使用不便(且正如我们所知,并不流行)。除此之外,科学家的关注方向发生偏差。植物细胞比动物细胞易于观察,植物的细胞壁厚而结实,动物的细胞膜纤薄脆弱,大体来说,它们之间的差别相当于纸箱之于塑料袋。然而在 18 世纪,几乎没有人在显微镜下观察植物。植物学家将时间用于植物分类而非显微镜观察,而大部分科学家更偏爱动物研究。最终,到了 19 世纪上半叶,显微镜得以改进,而植物生物学再次流行起来。

即使如此,细胞理论在几十年后才被人接受。现在看来,菲尔绍的宣言“一切细胞来源于细胞”(Omnis cellula e cellula)与权威格言“合众为一”(E pluribus unum)有异曲同工之妙:起初饱受争议,最终无法忽视。鲁道夫·菲尔绍将见证这一转变。

菲尔绍是细胞理论先驱中最杰出的人物。他才华横溢,但是固执己见,刚愎自用。他的身影时常出现在各种毫不相干的活动场合。他在柏林街头加入了 1848 年欧洲革命的战斗;他第一个发现细胞病变会引发癌症;他与海因里希·施里曼(Heinrich Schliemann)一同探索了特洛伊遗址;他坚决反对进化论(与此同时,他半心半意地强调自己并非有意嘲讽达尔文及其追随者是“赤裸裸的傻瓜和白痴”);他揭穿了所谓的尼安德特人头骨大发现,坚持认为它是现代人的头骨,只是被人打碎而已。

对于菲尔绍,争议如同家常便饭。(他的医学观点也反映出其好斗的本性,比如他认为癌症是“细胞间的内战”。)菲尔绍是改革者,是政治自由主义者,他领导了一场保护水质清洁与食物安全运动。 13 年来,他一直担任德意志帝国议会议员。他坚持认为军费预算过高,一度惹怒奥托·冯·俾斯麦(Otto von Bismarck),导致这位铁血宰相向他发起决斗。作为被挑战的一方,菲尔绍有权选择武器。他准备了两根香肠,一根给俾斯麦,另一根留给自己:给俾斯麦的那根是生肠,里面布满了能感染毛线虫病的微生物;而留给自己的那根是熟肠,安全无患。俾斯麦收回了挑战。细胞理论之争之所以旷日持久,部分原因在于它大胆而全面的主张,还有部分原因在于它让生命力是否存在这一悬而未决的问题再次成为人们关注的焦点。泰奥多尔·施旺自豪地支持机械论,反对生命力。他表示,生命是化学物质,而非气息或仙尘。

生物有机体“与建立在物质基础之上的无生物界相同,遵循看不见的规律”。前行之路非常明确:不要费心研究生命力,而要弄清楚细胞如何运作。尤其要弄清楚精细胞与卵细胞如何运作。长久以来,这一问题晦涩难懂;如今,它似乎有了解决之道。1875 年,一位自负而暴躁的德国科学家首先找到了答案,他就是奥斯卡·赫特维希(Oscar Hertwig)。当时,他在意大利那不勒斯的实验室工作。赫特维希并不是性研究的先驱。他个头不高,留着整齐的胡须,秃顶,头脑聪慧;他为人冷漠,令人生畏,几乎蔑视每一个人,除了弟弟理查德,他是赫特维希诸多科学论文的合作者。这些论文主要与海胆相关。起初,赫特维希和理查德从未想过这种生物的性生活值得密切关注。然而,当这对脾气暴躁的兄弟相互合作,共同研究生活于那不勒斯湾的多刺海洋生物时,他们创造了生物学的历史。当时,赫特维希来到那不勒斯一个新成立的海洋科学研究站工作。起初,那里的科学家尚未决定哪些海洋生物最适合研究。海胆一举成名完全出于偶然,就像一个龙套演员某日碰巧有机会为一位好莱坞大腕侍奉酒水一样。

研究海胆是当地一位渔民的建议,他嗜好大口吞食海胆卵。海胆卵美味可口(爱好者们可以作证),数量丰富(一只海胆就可以产出大量海胆卵)。更重要的是,这种物质透明可见,可以利用显微镜观察其内部结构,这就好比在建筑工地找到了一处观测孔一样。对于科学界而言,海胆卵通体透明,容易采集,如果实验之后尚有剩余,还可尽情享用,实乃天赐之物。

1875 年春天,赫特维希透过显微镜观察一颗海胆卵。海胆与青蛙相同,属于体外受精动物。在显微镜下,海胆卵内部的细胞核清晰可见。赫特维希将一滴海胆的精液滴到卵子旁边,发现一颗微小的精细胞顶向卵子外层。片刻之后,这颗精细胞的细胞核出现在卵子内部,就像一张投入漂流瓶中的便条。当精细胞的细胞核出现在巨大的卵子中时,它不断游动,最终游向卵子的细胞核。突然之间,两颗细胞核就在赫特维希的眼前发生接触,合而为一。赫特维希是有史以来目睹受精过程的第一人。曾经的两颗细胞核合为一颗,赫特维希以漫长职业生涯中罕有的诗意笔触写道:“就像太阳从卵中升起。”

赫特维希也注意到,一颗精细胞只能让一颗卵细胞受精。接下来的任务,便是弄清楚受精的卵子在分裂时发生了什么。赫特维希仍然是领路人。日复一日,他和同行胚胎学家兴致勃勃地观察卵细胞如何一分为二,二分为四……这一过程极其复杂,即使理论上看来也是如此,因为每个微小的细胞内部包含一系列全速运转的发动机和装配线,这就好比一整座全自动波音飞机生产工厂在一个小点之中运转,殊不知这个小点只是字母 i 的一部分,而字母 i 也只不过是单词 impossible 的一部分。

鲁道夫·菲尔绍,来自:维基百科

为什么每个细胞内部都各自包含一座复杂的工厂?卵子受精从一个单细胞开始。当这个细胞一分为二,是否两个子细胞分别继承母细胞一半的机器设备?或者说,所有的机器与设备都会复制自己,只不过搬到了新家?两种可能性似乎都不可思议。机器复制自己?机器一分为二,但是运转不受任何影响?更糟糕的是,这不是一次性谜题,而是无限循环的谜题。第一个受精卵分裂为数十亿个新细胞,每个新细胞的复杂程度都令人难以想象。此外,细要同时完成两个不同层面的运作:首先,细胞与细胞之间通过复杂的方式相互作用;与此同时,每个细胞内部的无数构成要素在高速运转。

汉斯·德里施(Hans Driesch)是那不勒斯的一位动物学家,他精心设计了一种实验以观察细胞的变化。德里施恃才傲物,四面树敌;然而,没有人可以否认他的科学才能。他的想法是,先等海胆的受精卵细胞一分为二,再轻轻地将这两个细胞切开,会出现什么情况?德里施继续观察。或许这两个细胞都会死去。然而,它们都活了下来。又或许这两个细胞都会存活,其中的一个细胞会发育成母体的一半,另一个细胞会发育成母体的另一半。然而,结果并非如此。

事实是,两个细胞最终都长成了完整健全、“身心健康”的成年海胆。德里施尝试用新的方法进行实验:这次他等卵细胞一分为二,然后二分为四,再将分裂之后的细胞切分为四部分。同上次一样,这四部分均发育成完整的、一切正常的成年海胆。观察是一回事,理解是另一回事。德里施的发现在生物学界掀起一场斗争。(德里施乐于激怒同僚和对手,他坚持认为自己证实了饱受攻击的生命力的存在。他表示,生命包含纯化学无法解释的奥秘。)然而,后续的故事实际上更加复杂。再经过数轮细胞分裂之后,个体细胞均丧失了发育成完整有机体的能力。相反,这些细胞特化了。以哺乳动物为例,特化细胞会分别发育成骨头、大脑、心脏和毛发。

要解开细胞生长和细胞分裂之谜还需要花费数十年时间,这一探索一直持续到 20 世纪上半叶。这条探索之路将历经基因、染色体和 DNA 的发现阶段,它们是现代生物学的标志。染色体如何决定生物属性,如何在精子和卵子中分配,又如何在胚胎体内组合?这些问题的答案都将成为日后的伟大发现。细胞之谜的解开让我们明白,在细胞分裂过程中,藏于细胞之内的“机器设备”会不断传递;除此之外,规定这些设备在新细胞中如何运行的指令也会传递下去。

在此之前的种种时刻,从没有人设想过这样的答案:1677 年,安东尼·范·列文虎克从婚床上一跃而起时没有;1827 年,卡尔·冯·贝尔在狗的卵巢中惊讶地发现卵子时没有;1875 年,奥斯卡·赫特维希看到精细胞和卵细胞合二为一时也没有。诚然,这些 “科学侦探”先驱并未破解这一谜题,但是他们发现了至关重要的线索,靠着这些线索,后继者最终得以圆满结案。

我们永远不会知道哪位先祖最先提出“宝宝从哪里来”这一问题。或许是一位刚刚分娩的妈妈,在挥汗如雨、痛苦呻吟之后终于将宝宝带到了这个残酷的世界;或许是一位圣贤,他一边盯着壁炉的火焰,一边推敲不为人知的谜题;或许是一个机灵的 6 岁小孩,新出生的妹妹让她好奇不已。不仅是他们,还有无数其他先祖,都会望着身边哭叫喊闹的婴儿,望着天上飞鸟、地上爬虫,发自内心想要知道这些不可思议、令人疯狂的生物到底如何形成。不过接下来,一丝迸出的火星或一声惊雷便足以打乱他们的思绪,让他们停止思考,继续生活。

我们都是如此。很多事物本该令我们目瞪口呆,但熟悉感抹杀了惊讶感。作家约翰·斯图尔特·科利斯(John Stewart Collis)曾说,我们会认为从帽子里变出兔子是魔法。非也。真正的魔法是兔子生出兔子。


题图来自:维基百科

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