微生物学和化学的成长

微生物学和化学的成长

在20世纪的帷幕刚刚拉开之际，物理学、化学和天文学的世界看起来很复杂，但生物学领域则更令人感到不可思议。正当化学家和物理学家深入钻进原子和亚原子的结构之中时，生命科学家沿着类似的道路继续前进，这条道路是要寻找生物体的特性以及它们如何行使功能的答案，最终，是要找到有关生命基础的答案。即使最简单的生物体，其复杂性都曾经困惑了人类好几百年（许多生物体实在太小，无法用肉眼观察）——从古代希腊人到17世纪的哈维和列文虎克，到19世纪的巴斯德和科赫。直至20世纪初，古老的问题依然未寻到解答：生命是什么？是什么原因使它们区别于岩石、污泥，或者星星？是什么在维持它们？它们是如何行使功能的？在不同的机体中，生命内在的过程是什么？

数百年来，研究者一直在试图找到更多有关生物体是怎样工作的证据，他们大多从外部形状着手。在古人中，像亚里士多德和普林尼这样的思想家都首先关注形态学，或者外部形状。后来的科学家，诸如17世纪的哈维，把观察和实验原理运用到生物体上，开始注意器官和器官系统，诸如循环系统，是怎样在生物体内工作的。

后来人们认识到器官都是由组织构成的，19世纪施莱登（Matthias Jakob Schleiden，1804—1881）和施旺（Theodor Schwann， 1810—1882）认识到一种类似于盒子的结构，他们称之为“细胞”，一切组织，当然也包括一切器官和生物体——植物和动物——都是由细胞构成的。当接近20世纪时，生物学家，越来越向着微观领域进军，实验技术开始对生物学家发挥前所未有的作用。他们发现，像巴斯德和科赫所面对的细菌之类的微生物更容易研究，并有助于探究生命的基础——这是所有生物学研究都关注的一个关键性问题。

有关神经的问题

很久以来，科学家一直在尝试搞清楚“神经”的结构及其作用机制。起初，在人们看来，神经似乎是奇怪的神秘的细线，直到18世纪，科学家才设想它们是空心的管道，就像静脉和动脉一样，携带着某种液体或者“精气”。最后，瑞士生理学家哈勒引进了更注重实验的方法，这才认识到，在刺激和响应的交互作用中，神经起着关键作用 。哈勒还注意到，所有神经都通向并且来自大脑与脊髓，他猜测，大脑和脊髓就是感觉和响应的中心。

到了19世纪末，细胞理论的引进，为研究神经及其工作原理提供了新的角度。在此之前，生理学家已经发现大脑和脊髓的结构，但是他们完全无法肯定这些是什么东西，它们的用途是什么，或者它们是怎样工作的。后来，在1891年，德国解剖学家瓦尔德雅尔（Wilhelm von Waldeyer，1836—1921）宣布建立“神经元理论”，他的观点是，神经纤维是神经细胞的组成部分，是通向和来自神经中心的非常细微、到处伸展的触角。瓦尔德雅尔的工作还说明，这些伸展相互间往往非常接近，但决不相连， 当中存在一种后来叫做突触的间隙。最早证实这一理论，并使之与细胞系统相协调的是朗蒙-鄄卡哈尔（Santiago Ramóny Cajál， 1852—1934）。

当朗蒙-鄄卡哈尔1877年从马德里大学以医学博士毕业时，还没有人知道用染色剂可以使神经系统的各部分与周围组织相区分，这种组织也叫做神经胶质（neuroglia） 。后来在19世纪8）年代，他听说康米罗·高尔基（Camillo Golgi，1844—1926）研制了一种染色剂，高尔基是神经系统细微结构研究的先驱。科赫、埃利希（Paul Ehrlich，1854—1915）以及其他人建立了细胞的染色法，但是他们用的是合成染料。1873年，高尔基宣布利用银盐可以产生特殊的效果，尤其可以用于观察神经细胞。高尔基运用这种新染色剂证实了被称做突触的微小间隙。

但是朗蒙-鄄卡哈尔改进了高尔基的染色剂，他以严谨的研究使神经元理论站稳了脚跟。他彻底推翻了当时流行的一种思想，认为大脑和脊髓的灰质是由一种连续的、相互连接的网络所构成，它从一个分支流入另一个分支，就像支流汇入大河或者树叶的纹理一样， 因此，他常常被人们称为“显微镜中的堂·吉诃德”。他成功地追踪彼此独立的长长的神经纤维。运用显微镜和精巧细致的实验技术，他确证神经系统的基本单元就是神经元及其分支和轴突。他还提出了一种假说，认为神经脉冲在神经元之间通过时，只向一个方向传输。

朗蒙-鄄卡哈尔和高尔基分享了1906年诺贝尔生理学或医学奖。他的工作开创了神经解剖学这一新领域，这是19世纪末20世纪初，基于显微镜和染色法的成果所形成的许多新学科中的一门。

朗蒙-鄄卡哈尔，神经解剖学的奠基人。

自从牛顿时代以来，当生命科学家第一次试图把在物理学中如此有效的力学概念也运用到生命世界时，随即引起了一场持久而又深远的争论。许多生命科学家反对这种纯粹的唯物主义方法。他们觉得，生命不同于化合物的酿造或杠杆及活塞的组合。他们相信，生命有别于岩石、行星和恒星。其间似乎更像有某种“生命”力存在着。因此，从他们的观点出发，就导致了所谓的“活力论”（vitalism）。1895年，生命科学界分裂了。难道生物有什么特殊的地方吗？他们迷惑了。生命难道果真具有某种维持生命的“精气”、灵魂或者生命力？或者与无生命的物质一样，仅仅是原子和分子的集合体，跟桌子、货车或者陨石一样遵循所有的物理定律？对于许多人来说，后者似乎是既不可能，又太放肆了。

毕希纳的策划

凯库勒在1861年出版的《有机化学教程》第一卷中，把有机化合物定义为仅仅是含有碳的化合物。他没有提及生命力或其他与众不同的特征。这是第一次不把有机物看成是含有生命力，而是跟任何其他物质完全一样，按化学元素来进行考查。

许多人发现凯库勒的做法太令人不安了，争论的双方都出现了分歧。然后在1897年，正当20世纪就要开始时，德国化学家毕希纳（Edouard Buchner， 1860—1917）做了一个实验。发酵历来被看成是一种生命过程，是一种只有在活细胞内才能发生的化学反应，所以，毕希纳收集了一组已知与发酵有关的酵母细胞，把它们掺上沙子一起研磨，直至绝对不可能再有活细胞为止。然后，为了双重保险，他又把研磨过的物质进行过滤，获得了完全没有细胞的液汁。

接下来的事情完全出乎毕希纳的预料：他原先设定，在细胞不在场的情况下，不会产生发酵。他仔细地把调制好的液汁置于不受任何活细胞污染的状态——否则他的实验就不能算是好的试验。然后加进糖的浓溶液，这是公认的不受微生物污染的好方法。但使他大为惊奇的是，不含细胞的酵母液汁和糖的混合物竟开始发酵了！许多人曾经认为是生命过程的现象竟发生在绝对无活物的混合物中。毕希纳进一步做下去。他用酒精杀死酵母细胞，发现已死细胞竟然和活细胞一样容易使糖发酵。这些结果既令人惊奇，也令人兴奋，于是　1907年，毕希纳因此而荣获诺贝尔化学奖。

活力论者（甚至包括毕希纳本人）曾经坚信，所有这些都是不可能的。但结论却是非常明确：“酵素”，当时人们这样称谓发酵的媒介，实际上是死的物质，可以从活细胞中离析出来，尽管它们常常见于活细胞里。这些物质可以在实验室的试管里发挥功能。

现在人们已普遍接受这样的看法，即生命遵循管辖无生命世界的那些定律。但是1897年毕希纳的小小实验对于正在研究活着的生物体的人们来说，却是革命性的突破。从他的工作中，生物学家和化学家都获得了信心，相信生物学问题本质上决不超越实验检验和理解的范畴。和无生命世界的现象一样，生命过程即使没有生命，也有可能通过科学实验和观察寻求答案。这就为细胞化学的机械论研究作好了准备。

有关活力论的哲学论战肯定还会继续下去。1899年，德国博物学家海克尔（Ernst Heinrich Haeckel，1834—1919）发表了一种观点，认为心灵，尽管是创造的产物，却从属于人体，并且在人体死后就不再存在。（他还是第一个运用“生态学”一词来描述关于生物体互相间以及跟它们周围环境间关系的研究）对于许多人来说，这样的论点远远超越了现有的证据，而与之对立的传统观念又太强。另一些人则认为它是有意义的。与活力论观点相反的证据在不断积累，但是整个20世纪，科学家不断在寻求下列问题的答案：什么是生命？生命又是怎样开始的？

人体化学

毕希纳1897年的突破性实验为生命科学富有成效的实验研究奠定了基础，实质上它还建立了一个新的领域，通过把化学和生物学结合在一起，从而形成生物化学这一领域。现在发生在细胞内的化学过程可以在实验室里用试管在细胞之外研究了，因为毕希纳已经证明，细胞本身对于其中发生的反应并没有特殊的贡献。在这一实验的基础上还创建了内分泌学领域关于内分泌腺（ductless gland）及其分泌功能的研究。

1901年，日本的高峰让吉（Jokichi Takamine）发现一种叫做肾上腺素的物质，由肾上腺所分泌。肾上腺是位于肾附近的一种内分泌腺。高峰让吉不仅把这种与血管收缩和血压升高的物质离析出来　，而且还成功地合成了它，这对于活力论者无疑是又一打击。

与此同时，英国有两位生理学家贝利斯（William Bayliss， 1860—1924）和斯塔林（Ernest Starling， 1866—1927）也正在对胰腺做实验，胰腺是大而软的消化腺。他们发现，即使切断所有通向胰腺的神经，但每当胃酸和胃内食物被排入小肠时，它仍然会分泌消化液。1902年，他们成功地找到了原因。原来小肠里的酸导致小肠腔壁分泌一种叫做胰泌素的物质。这一物质通过血液传到胰腺，触发胰腺分泌消化液。贝利斯和斯塔林认识到，胰泌素和高峰让吉发现的肾上腺素都是化学信号系统的一部分，他们称这些化学信号为激素，也叫荷尔蒙（hormones，取自希腊语horman，意即催化）。

这些化学信号都是特殊的蛋白质，由躯体中某一腺体分泌，通过血液传送到躯体另一部分的特定细胞中，以调节各类反应过程。贝利斯和斯塔林的工作确立了激素的重要性，他们的激素新理论被证明非常有效，并且为处理一类致命病症打下了基础，这些病症，从古代以来就一直在侵袭并杀害人类。

糖尿病（diabetes），意思是“穿越而过”，是古希腊人给这种病症起的名字，因为患者需要饮用大量的水，它们似乎从身体直穿而过。罗马人加了mellitus一词，表示“甜蜜”，因为患者的尿不正常地甜——甜到竟能吸引苍蝇。

至1920年时，人们才知道糖尿病人尿的甜蜜是由于葡萄糖含量过高所致，患者的血液也是如此。还有，当实验动物的胰腺被割除后，动物出现的症状非常像糖尿病。所以，在贝利斯和斯塔林的工作和这些新发现的基础上，人们高度怀疑这种疾病是由于缺乏胰腺分泌的激素引起的，这种激素可以调节血液中的葡萄糖含量。缺少了这种激素，葡萄糖增多，糖尿病就发生了。这种还未发现的激素甚至有了一个名字，叫胰岛素。

尽管有人也许并不认为正是班廷（Frederick Grant Banting， 1891—1941）解决了这一古老问题，但是班廷却想出了一个办法。毕业于医科学校并从军事服役返回后的班廷，作为一名年轻的加拿大医生，刚刚开业。同时他还在一家医学院担任部分教学。1920年的一天，当班廷正准备讲课笔记时，《科学》杂志上一条消息引起了他的兴趣。这篇论文说，如果胰腺从肠子处结扎，以至于不能通过管道输送消化液时，它就会萎缩。他激动得立即写下了一条备忘录：“给狗结扎胰腺导管。等候6到8个星期使之退化。去掉残液和浸出物。”班廷推想，用这样的办法，他应该可以从萎缩的胰腺中离析出胰岛素，同时避开有破坏性的消化液。但是班廷没有研究资源，也没有实验室。

于是，他动身前往多伦多大学，糖尿病专家麦克劳德（John Macleod， 1876—1935）在那里当生理学系系主任。班廷向他略述了自己的想法，问他实验室有没有地方可以做8个星期的实验。然而麦克劳德拒绝了班廷的请求。第二次请求再次被拒绝。但第三次成功了。麦克劳德最后同意在他度假时，让班廷用他的实验室。他甚至还提议一个刚刚进入医学院的年轻学生当班廷的助手。这个学生名叫贝斯特（Charles Herbert Best， 1899—1978），他立即同意参与这一计划。尽管班廷常常依赖暑期打职业棒球来赚些钱，不过他想，刚刚从军队得到的退伍费，应该足以偿还债务。

贝斯特（左）和班廷，他们离析出胰岛素。

尽管在实验中要用到狗，但是他们对狗非常仁慈，给予爱心和关注。结扎胰腺要进行手术，但班廷用了麻醉药，在狗的康复过程中，他们就像照顾病人一样地细心。遗憾的是，第一次手术没有做好，他们结扎胰腺管道的羊肠线断裂了，那些狗没有出现任何症状，当他们知道这一错误时，几个星期已经过去了。与此同时，钱也用光。于是，班廷卖掉他那破旧的福特车，用以购买食物，供实验人员以及狗食用。最后终于有一条名为Marjorie的狗，他们用丝线给它结扎，在1921年的7月底出现了糖尿病症状。这两位年轻的科学家把它的胰腺取出来，果然不出所料，胰腺已经萎缩了。他们把胰腺研磨成粉，溶在盐溶液里。再给这条狗注射这一溶液，所有的糖尿病症状全都消失。

当麦克劳德从度假地返回时，令他大为惊讶的是，班廷和贝斯特竟离析出了胰岛素。于是，麦克劳德和柯里普（James Collip，1892—1965）也加入到了研究小组中来，他们的工作是纯化激素，使之符合标准。1921年11月，班廷和贝斯特在一次科学会议上报告了他们的发现。但是，在随后的活动中，麦克劳德作为系主任，在许多报告中得到了荣誉，1923年，当诺贝尔奖奖励这项成就时，授予的不是班廷和贝斯特，而是麦克劳德和班廷。班廷因为贝斯特不在内而大怒，麦克劳德想的却是柯里普的工作应该得到承认。因此，就像经常发生的那样，他们每人得到的40 000美元的奖金都与他们的同事作了再分配。胰岛素很快就投入生产，以满足医生的需要，这是第一次对糖尿病有效的新治疗方法。

微小的世界

传统上，生命科学中的许多问题都是由于医学需要而引起的，目的是让我们生存并且生存得好些。所以医学研究——通常都认为是一种“应用科学”——往往与理论进展齐驱并进，经常起到引导作用。在20世纪前半叶，和过去一样，或者更甚于过去，正是对健康的追求推动着对知识的追求。

18世纪90年代，詹纳引进了第一支疫苗，他把正在出牛痘的女孩皮肤上的水泡中的液体，接种到一个健康男孩身上。牛痘是一种类似于天花的疾病，但更为温和。可以说这是医学史上最为冒险的一次实验，他使该男孩与天花直接接触，好在那个男孩并没有染病。（但是，如果詹纳的设想不正确，这个男孩就会轻易死去。天花是一种致命的疾病，在大流行时，欧洲每三个人中就有一个死于天花）詹纳的实验成功了，这就首次导致一种有效的疫苗得以诞生，而詹纳成了英雄。

但是当时没有人确切地知道，为什么天花疫苗有效，或者是什么因素引起这种或者那种疾病。在大多数情况下，医生无能为力，只能处理症状，让疾病走完全程，并安慰那些死里逃生的人。

最后，巴斯德在19世纪60年代作出了重大突破，他提出了“细菌学说”，从而确认微小的生物体是引起传染性疾病的媒介。1876年，科赫发现了一种细菌——取名为芽孢杆菌蒽属，它是造成可怕的炭疽病的原因，这种病会杀灭整群的家畜，还会传播到人群中，2001—2002年间在美国发生的炭疽邮件就是一例。科赫的发现首次在疾病和微生物之间建立了明确的联系——微生物是如此之小，只有在显微镜的帮助下才能看见。

到了19世纪90年代，好几种细菌被识别并确定它们与某些疾病和传染病相关，还找到了消灭它们或者至少控制其传播的新方法，并引进到医院和外科手术中。但是还有一些疾病依旧难以解释，似乎更难对付。狂犬病就是其中之一。巴斯德推测，也许与之有关的生物体小到这样的程度，即使通过显微镜也难以看到。还有一种疾病叫花叶病也难以解释，这种疾病感染烟草植物。早在1892年就有人建议，这种病是由于能够穿过最细微的过滤器的某种东西引起的。

这时出现了一位荷兰植物学家名叫拜尔林克（Martinus Beijerinck， 1851—1931），他是烟草商的儿子，受过植物学和化学两方面的训练。1895年，他做了一个实验。先从感染了花叶病的烟叶中挤出液汁，然后仔细检查其残液，希望找到所谓的细菌。但是他一无所获。他又仿照培养细菌的方法培养残液，但什么也没有培养出来。但是，如果健康植物接触到这一残液，就会感染上花叶病。如果没有细菌在场，那又是什么引起感染？他把残液经过滤器过滤，过滤器是如此精细，任何已知的细菌都会被它除掉。但是残液仍然感染健康植物。

拜尔林克想，也许疾病是由于某种毒素。但也不是，因为他发现疾病可以在植物之间相互传染——他的结论是，无论它是什么，它一定是正在生长和繁殖的东西。

1898年，在经过反复的试验之后，拜尔林克发表了他的观察结果，宣布烟草花叶病是由于一种感染媒介引起，这种媒介并不是细菌，他称之为可过滤的病毒（virus，来　自希腊语“毒”）。于是他发现了一系列传染媒介，后来证明是许多动植物疾病的根源，其中包括人类的黄热病、脊髓灰质炎、腮腺炎、水痘、天花、流行性感冒以及普通的感冒。但是，甚至又过了一代，生物学家仍然没有识破病毒的结构。

最后在1935年，美国生物化学家斯坦利（Wendell Meredith Stanley， 1904—1971）作出了突破性的工作。他把大量已经感染疾病的烟草叶捣碎，然后采用结晶方法，这种方法曾用于其他蛋白质身上，从而证实烟草花叶病病毒确是蛋白质分子，最后他成功地获得了一组外形像针一样的精细晶体。他分离出这些晶体，发现它们的感染能力与病毒的感染特性恰恰吻合。

对于许多人来说，这恰恰证明，必须接受这样一个令人难以置信的信息：病毒是活的，难道不是吗？它们在细胞里可以自行复制——这是识别生命的关键标准之一。但是，斯坦利却像其他科学家结晶非生命化合物那样，居然结晶出显然是病毒的物质。这一新闻似乎使病毒置于生物与非生物之间的虚幻之地。这是一个混乱而又使人不安的思想。当人们试图对病毒进行归类时，争论一触即发。古老的关于什么是生命、什么不是生命的论战再次引发。

当20世纪40年代的研究进一步证实病毒既含有蛋白质，又含有核酸的事实时，故事又有了后戏。仅就核酸而言，很快就弄清楚　，它可以改变菌株的某些物理特性。生物化学家第一次开始把核酸看成是遗传信息的可能携带者，我们将在本编的第七章“追踪遗传学和遗传现象之踪迹”进行讨论。现在对病毒及其遗传现象的研究已经开始出现——这一趋势在第二次世界大战之后的20世纪下半叶将会产生更大的成果。

与此同时，20世纪上半叶，研究者更多关注微生物的生理机制，以及如何摧毁它们的生命功能，从而克服由于它们造成的疾病。在这一过程中，他们发现了大量一般意义上的生命功能。

埃利希和“魔弹”

埃利希曾这样宣称：“只要一个水管、一束火焰和一些吸墨纸，我就可以在一片空旷的地方工作。”然而，他要进行真正的思考，似乎还需要大量的矿泉水和雪茄烟，他烟不离口。确实，雪茄烟对于他的思维过程来说是如此重要，每当他外出时，不仅手中要拿着烟，还要藏一盒在衣袖里。

埃利希有时很难与人相处，因为他总认为自己是对的。每天早上他给助手们一叠卡片，写明这一天实验的详细指示，以此来考验助手们的耐性。如果违背了他的指示，就会遭受冷遇。

但是埃利希工作出色，由于这一性格，再加上作为一个实验家的才华和直觉，作为化学疗法的奠基人，他对科学和人类健康都作出了巨大的贡献。

当埃利希还是德国莱比锡大学医学院的年轻科学家时，就对苯胺染料的作用机制发生了兴趣（康米罗·高尔基和科赫在他之前就已对此产生兴趣），苯胺染料可以使各种微观结构更容易观察。还在学校时，他就发现了若干有用的细菌染色剂，他的学位论文就是关于这一课题的。但并不是每个人都相信他能够在这方面取得更大的进展。科赫有一天访问埃利希的学校，遇到了这位年轻的热心者，科赫后来宣称：“非常善于染色，但他永远通不过考试。”科赫错了，埃利希通过了。

埃利希，医治或预防疾病的“魔弹”的创造者。

还有，埃利希在1878年取得医学学位后，发现了一种给结核菌染色的好方法。这是科赫感兴趣的领域。这一成绩使他又一次受到科赫的注意，1882年至1886年之间，两人在一起工作，不幸的是，埃利希感染了轻微的肺结核，于是离开科赫到埃及去休养。

1889年，埃利希返回后与德国细菌学家

贝林（Emil von Behring， 1854—1917）及日本细菌学家北里柴三郎（Kitasato Shibasaburo，1852—1931）一起工作，他们都和科赫合作过。1890年，埃利希在柏林大学获得了一个职位。此时，科学家已经对疾病的成因以及自然物质在血液里如何产生自然免疫力有了一些新的见解。就在同一年，1889年，北里柴三郎和贝林宣布了他们的发现：他们不断给动物注射少量不会致病的破伤风毒素，这时，在动物血液会产生一种物质（抗毒素），以中和注射的毒素。他们还发现，可以用这个办法从已经获得免疫力的动物身上取出其血液的液体部分（叫做血清），用于使其他动物获得免疫能力。这一简单的步骤可以用来预防疾病，否则，致命剂量的毒素或者细菌就会使动物致病。

与此同时，贝林、北里柴三郎和埃利希都在寻求治疗白喉的方法，这是一种致命的疾病，特别是儿童，一旦染上此病往往只有死亡。他们注意到，感染过白喉而又幸存下来的儿童在成年后似乎就不会再得这种病。显然在与疾病的斗争中，儿童的身体中产生了抗体，抗体保留在血液中，从而起到保护作用。但是用这种方法获得免疫力的风险太大。这三位细菌学家运用与对付破伤风相同的办法，埃利希则在剂量和治疗技术等方面继续工作，他们在1892年白喉流行期间，提炼出了新的白喉抗毒素，取得了成功。因为这项工作，提出这一思想的贝林获得了1901年诺贝尔生理学或医学奖。

北里柴三郎发现并离析出了引起破伤风、炭疽热和痢疾的细菌， 并发现了淋巴腺鼠疫的传染原因。

就在他们对付白喉成功以后，埃利希与贝林吵了一架，北里柴三郎回日本去了。于是埃利希只得孤军备战。 由于对白喉抗毒素工作的肯定，德国政府建立了一个研究所专门研究血清，让埃利希当所长。埃利希不仅长于实验研究，善于构思精湛的步骤，而且总在寻求更多的治疗方法。他迫切要知道白喉毒素是如何攻击人体；毒素抗体又是如何抵御毒素使它不致伤害人体细胞。他需要知道他看到的现象背后的化学机制，于是他回到早年曾有兴趣的染色剂问题：染色剂的价值在于它能使细胞结构清晰地显示出来，或者使细菌着色，以便在无色的背景下进行观察。对这一现象应该有一个化学解释。染色剂一定是与细菌中的某种物质结合到了一起，通常的结果是它杀死了细菌。也许这一现象可以用于对付细菌。实际上，也许可以找到一种染料，能够给有害的细菌染色甚至杀死细菌，而不伤害人体的正常细胞。也许可以创造这种“魔弹”，以攻击细菌所栖居的宿主为靶子，找到寄生物并摧毁之。于是，化学疗法就诞生了。

埃利希开始寻找能够着色和杀死特殊靶标的染料，他发现了一种，称之为锥虫红，它可以用于杀死锥体虫——这是一种单细胞动物，可以引起多种疾病，包括昏睡病。

他一开始猜想，也许是锥虫红里面的氮原子干扰了寄生虫的新陈代谢过程，于是想到用砷的各种化合物进行试验，看看还能够找到什么样的魔弹。砷跟氮有许多共同特性，但是毒性强得多。所以这一方法看来是可行的。他让实验室里每个人都参加，普查他们所能想到的所有含砷的有机化合物——包括自然的和合成的。总共试了几百种。1907年，他们做到第606号；把它用于锥体虫，效果不大，于是就把它和所有其余的放到一边，继续往下做。

埃利希获得了1908年诺贝尔生理学或医学奖，是与俄国细菌学家梅契尼科夫（Ilya Ilich Mechnikov， 1845—1916）分享的，奖励他们在免疫学方面的研究。但是事实上，埃利希最大的贡献还没有到来。

第二年，他的合作者之一，秦佐八郎（Hata Sukehachiro，1873—1938）在复查测试砷化合物有效性的技术时，偶然用到了第606号样品。让所有人都惊奇的是，尽管第606号对锥体虫没有特殊效果，他却发现它对引起梅毒的螺旋菌有很强的破坏力。埃利希听到合作者的报告激动万分，立刻进行验证，并且重新命名为“撒尔佛散”（salvarsan），于1910年宣布了这一发现。魔弹就这样被发现了，它被用于控制梅毒这一具有高度破坏力的疾病，这种疾病通常通过性交传播，通常归咎于妓女、不忠婚姻或者其他淫乱行为，这些都是被社会所唾弃的现象。受害者由于梅毒造成不育，最终导致瘫痪、神经错乱和死亡。埃利希把65 000单位的药剂免费分发给世界各地的医生，他相信根除这种病，要比从中获取收益更为重要。撒尔佛散［现在叫做砷凡纳明（arsphenamine）］的发现标志着近代化学疗法的开始，标志着一类药剂开始问世，这类药剂实际上是一种合成的抗体，它能够寻找并且破坏侵袭的微生物，而不伤害患者或宿主。

埃利希常常说，他坚定地相信“四个大G”对成功的重要性。所谓“四个大G”是德语四个词Geduld， Geschick， Geld， Gluck的缩写，意即“耐性、能力、金钱和运气”。但是当人们祝贺他发现第606号药剂时，他只说了一句：“我在7年坏运气中，只一次侥幸遇到了好运气。”

评论却是低估了其中所涉及的巨大工作量，实际上，埃利希不仅是指挥者，也是身体力行的工作者。在1877年至1914年之间，埃利希发表了232篇论文和著作。再有，实验本身极其劳累，正如他的一位助手玛尔夸特（Marthe Mar quart）所解释的：

“局外人不可能体会到在这些漫长的实验时间里有多大的工作量，实验必须重复又重复，连续几个月。人们常常说606是第606次实验，这是不正确的，因为606是样品的号码，和所有以前的样品一样，用它做了许多次实验。所有这些加在一起，工作量之大是难以想象的。”

埃利希提出的化学疗法所用的技术至今仍在不断地产生成果，他和他的合作者治疗昏睡病和梅毒的方法一直行之有效。直到20世纪30年代，又新添了两项突破性工作。

埃利希和日本细菌学家秦佐八郎在实验室里工作。

磺胺，“神奇之药”和青霉素

20世纪30年代中期，世界上所有实验室都在寻找能够更有效地对付细菌感染的染料或者其他化合物，许多私人医药公司纷纷建立自己的实验室，以便赢得这场竞争。在德国，多马克（Gerhard Domagk， 1895—1964）成了法尔本（I. G. Farben）公司一间实验室的主任，在那里他和同事们开始致力于研究链球菌，这是一种厉害得能引起血液中毒的细菌。多马克开始用一系列新合成的染料进行各种试验，1932年，他偶然用到一种叫做百浪多息（Prontosil）的橙红染料，在实验中治愈了老鼠的链球菌感染。这是一条激动人心的新闻，因为这类细菌比埃利希的梅毒螺旋菌还要小且更难制服。

就在多马克还没有机会在人体上检验他的发现时，一位医生请求他帮助一个因为葡萄球菌感染了血液而快要死去的婴儿。当时百浪多息只对链球菌感染做过试验，但对葡萄球菌感染的效果如何，则不得而知。但这位医生说服多马克让他试试，只为救那个孩子。婴儿接受百浪多息4天后，温度降下来了，3个星期内完全康复。多马克自己的小女儿希尔德加，也在1935年2月的链球菌感染中被治愈。当它治愈了另一桩危险的感染，挽救了美国总统的儿子小富兰克林·罗斯福（Franklin Delano Roosevelt，1914—1988）的生命时，这一药剂获得了世界范围的声誉。

后来证明，多马克的百浪多息中的有效成分是磺胺。很快研究者找到了一系列相关的有机化合物，名为磺胺药剂，证明对链球菌、淋菌、脑膜炎双球菌，以及某些类型的肺炎球菌、葡萄球菌、布鲁氏菌和梭状芽孢杆菌等感染高度有效。

美国细菌学家杜博斯（Rene Jules Dubos，1901—1982）度过一段漫长而富有成效的职业生涯。还在早年时期，他就证明，微生物产生的自然物质也有可能当做抗菌药。1939年，杜博斯从土壤细菌中得到某些物质，证明对肺炎球菌有效。这一发现迅速导致对于1928年发生的一个事件的重新检验，这是名叫弗莱明（Alexander Fleming， 1881—1955）的细菌学家在伦敦圣玛丽医院接种部作出的发现。

如果弗莱明是一位更有条理、更不敏感的科学家，世界也许难以享受这种最有效力的抗菌剂的思想。1928年的一天，他度假归来，正在清洗一批离开时留在实验室角落里的细菌培养皿。但是，当他把所有器皿垛在消毒盆里，准备清除其中的培养物以便再用时，却偶然注意到其中一个器皿有些异样，于是就从水盆里把它拿了出来。

引起他注意的是培养皿里有一块地方长着不寻常的霉斑，周围环绕着葡萄球菌的黄色群落。在他工作的旧实验室里，炎热的夏天空气中充满了各种各样的孢子，所以，霉斑的出现本身并没有什么好奇怪的，但奇怪的却是，围绕霉斑一英寸范围内所有细菌都是无色透明的。显然，在细菌学家训练有素的眼里，一定是有什么东西杀死了霉斑周围的葡萄球菌。弗莱明知道他发现了某种东西。于是他拍下照片，取下一些霉斑使它再繁殖，并且保存了这个盘子。他把培育得到的霉斑样品送到其他实验室。他和他的同事们也对这些样品作了研究。

霉斑就是青霉菌，弗莱明发现，由它产生的一种物质是针对试管和培养皿的一种有效消毒剂，并且可以用来纯化菌株。他和他的实验助手发现，青霉素对抑制猩红热、肺炎、淋病、脑膜炎以及白喉的致病细菌都有效，但是他们的提炼还不够纯，因而无法检验它作为药剂的有效性。因此，除了在实验室使用外，弗莱明的霉菌在架子上搁了十年之久。

青霉素的发现者弗莱明。

后来在1938年，来自英国以外的两位细菌学家，钱恩（Ernst Chain，1906—1979）和弗洛里（Howard Florey， 1898—1968）在英国的牛津大学聚到了一起，钱恩是犹太移民，从纳粹手中逃到英国；弗洛里来自澳大利亚，两人在一次普查科学文献中有关抗菌剂的资料时偶然检索到了青霉素。他们发现一株霉菌（弗莱明送给他们的样品的后代）在他们的实验室培养得不错，马上抓住不放。随即，弗洛里和钱恩以及他们在牛津的合作者解决了如何大规模生产青霉素的问题，这样一来，就有足够的剂量可以在病人身上做试验。由于第二次世界大战的爆发，对于完成这项工作和得到新的抗菌药，出现了从未有过的迫切性，于是该项目转移到了美国的药物实验室。

弗莱明特殊的青霉菌株后来再也没有能够在实验室之外得到培育，尽管类似的菌株经过紧张的搜寻后终于在伊利诺斯被发现（这一菌株现在还在用）。所以，如果不是弗莱明的眼明手快，也许那天在他实验室里的青霉素就会冲洗到下水道里去了。如今成千上万的人民避免了由于感染而死亡。从此，肺炎、猩红热之类的疾病不再可怕。1945年12月，弗莱明、弗洛里和钱恩由于他们的工作荣获诺贝尔生理学或医学奖。

由于青霉素的发现，全世界的实验室都在积极寻找土壤中的真菌以探求更多的抗生素，因此找到了大量品种，还找到了针对落基山斑疹热和斑疹伤寒的治疗方法。此外，在美国药物厂家工作，并在罗特格斯大学教书的瓦克斯曼（Selman Waksman， 1888—1973）于1943年发现了链霉素，源于他的一个学生在小鸡身上发现的一种霉菌。它是第一个能够彻底消灭结核菌的抗生素（antibiotic，这个名字就是瓦克斯曼起的）。许多抗生素可以削弱细菌，而瓦克斯曼的链霉素能够杀死细菌。瓦克斯曼的雇主莫克斯公司走了不寻常的一步，决定让新的药剂成为普遍可得的产品而没有申请专利，因为他们考虑到这一产品对于人类是如此重要，它应该被尽可能广泛地生产和分配。

所有这些突破的成果都相当惊人。美国死于肺炎和流行性感冒的人数在1945年至1955年间下降了47%，而梅毒的死亡率下降了78%。当时还不是所有儿童都能对白喉作预防接种，但是该病引起的死亡率下降了92%。凡是青霉素族药剂以及其他各种抗生素能迅速供应的地方，传染病引起的死亡都急剧减少，而在20世纪初以前，传染病引起的死亡可是所有死亡的主要原因。

饮食问题

19世纪后半叶，巴斯德的微生物学说以及后来关于病毒也是疾病成因的发现，使许多从事公共卫生的人们找到了解决问题的办法，但是另一个关键因素也开始在研究和观察中呈现。 自从18世纪以来，由于在英国水手的食物中加酸橙汁，几乎完全消除了航海中坏血病的发作。看起来疾病也可能是因为食物中缺少某种需要的物质引起的。于是在医学界，人们对于日常饮食大感兴趣。

在19世纪，人们发现，蛋白质在食物中起着重要作用。其中还有“完全”蛋白质和“不完全”蛋白质之区分，完全蛋白质出现在食物中时，则为生命提供足够的营养；不完全蛋白质则起不到这一作用；但是没有人知道区别在哪里。1820年，科学家分离出一种物质叫做甘氨酸，这是出现在复杂明胶分子（一种蛋白质）中的简单分子。甘氨酸属于一类名叫氨基酸的化合物，它们是蛋白质的基本成分。不久在蛋白质中又发现了其他的氨基酸分子，到了1900年，已经发现了12种不同的氨基酸单元。

名叫霍普金斯（Frederick Gowland Hopkins， 1861—1947）的英国生物化学家第一个证明，不是所有的蛋白质都含有全部氨基酸，有些氨基酸对生命是基本的，有些则不是。1900年，他发现从玉米中分离得到的一种蛋白质不含色氨酸，这种蛋白质叫做玉米蛋白，不足以为生命提供全部营养。然后，他把色氨酸加到玉米蛋白中，惊奇地发现，现在玉米蛋白可以为生命提供全部营养了。在20世纪初期，其他实验证明，身体可以生产某些氨基酸，至于身体不能产生的，人们称之为“基本氨基酸”，必须通过营养得到供应。没有它们，人就会生病，死亡随之而来。

所以，食物对于健康至关重要，除了制服细菌之外。而氨基酸肯定还不是全部答案。坏血病是怎么回事？酸橙汁解决了这个问题，但是为什么？酸橙汁中已知的各种成分中不可能有这一效应，里面一定含有某种未知而又基本的“痕”量物质。

霍普金斯和来自波兰的冯克（Casimir Funk， 1884—1967）提出，坏血病和其他几种疾病，包括脚气病、佝偻病和糙皮病都是由食物缺陷引起的，亦即少了他们所谓的“食物辅助因子”，或者冯克在1912年所称的“vitamines”。这个名词后来转变为vitamin，即维生素。

“微生物猎手们”正在对付黄热病。

20世纪最初的30年，基于“维生素假说”，人们在对付疾病方面取得了惊人进展。1915年，戈尔德伯格（Joseph Goldberger， 1874—1929）用之来解决糙皮病问题。

戈尔德伯格是一个才华横溢的年轻人，16岁进入纽约城市学院学习工程学。但是他后来迷上了医学，于是改变志向，成为一名医生。经过两年的私人营业后，他感到枯燥乏味，于是参加海军医院竞赛考试，结果得了最高分，从而进入美国公共卫生局当了一名“微生物猎手”，专门和美国流行的黄热病、登革热、斑疹伤寒、肠伤寒以及其他传染病作战。1914年，他应征解决糙皮病问题，这是两个世纪以来流行于美国南部折磨穷人的一种疾病。这是一种讨厌的疾病，它会使人皮肤肿胀、起痂、变红，引起腹泻，最终精神失常。所有人都假设这是某种传染病菌引起的，但是没有一个人发现这种病菌。有时候，儿童，特别是孤儿，在他们的成长过程中似乎都会受到这一疾病的“煎熬”。

戈尔德伯格解决这个问题的方法就是观察。他没有安排实验室，也没有用显微镜，只是观察和倾听。糙皮病在孤儿院和收容所里特别盛行，但工作人员似乎从来就染不上这种病。戈尔德伯格想，如果它是传染性的，为什么工作人员不得这个病？在日记里，他写道：“尽管护士和服务员看起来也吃同样的食物，但依然有一个差别，这就是护士有特权选择最好和品种最多的食物。”他的结论是，糙皮病是食物的缺陷引起的。

然而，为什么是流行病呢？戈尔德伯格在采访了许多医生后认识到，经济低潮使美国南方许多地区的食品比平常更为缺乏。戈尔德伯格通过自己的研究证明，糙皮病是因食物中缺乏一种维生素引起的。大多数农村劳动力就靠面包和糖浆为生，没有肉类或某种必要的食物来源，后来在1937年发现，缺少的因子是尼克酸（niacin），也叫维生素B2。孤儿院儿童中能够自己康复的，都是那些长大后开始工作的人们，他们终于有能力在自己的食物中加上肉类。戈尔德伯格后来用狗做实验，使狗患上糙皮病，于是在1923年发现，酿造啤酒的酵母可以防止糙皮病。

人们终于发现缺乏维生素是产生下列一些疾病的原因：脚气病（维生素B1 ）、糙皮病（维生素B2）、坏血病（维生素C）、佝偻病（维生素D），以及某些与视力及夜盲有关的问题（维生素A）。结果就是，到了20世纪40年代，所有这些疾病都已不再像过去那样，成为主要的医学问题了。

戈尔德伯格正在研究糙皮病的起因。

对微小物体的新聚焦： 电子显微镜

17世纪一位来自荷兰代夫特的布料商列文虎克，曾使伦敦皇家学会的科学大师们大为惊讶，因为他描述了许多微小动物——他称之为“微动物”（animalcule）——这些微动物是如此之小，用肉眼根本无法看到。他发明了原始的显微镜，原本是为了检验纺织品纤维，但他忽发异想，想通过显微镜看看水滴和他的牙垢，结果使人人都大为惊异的是，他看到的世界充满了极微小的生物。从那时起，微观世界提供了丰富的领域供生命科学家探讨。随着观察微小结构的工具不断改进，知识大大扩展了。

在20世纪30年代，一种新型的显微镜——人们称之为电子显微镜——第一次付诸使用，从而为探讨生命奥秘提供了巨大潜力。不同于列文虎克的显微镜以及后来的许多改进过的光学显微镜，电子显微镜是用一束电子而不是光线来瞄准目标。这些电子是被磁铁引向样品的，因为磁铁可以使电子流偏折，就像光学显微镜里的玻璃透镜所起的作用一样。

有一种类型叫做透射电子显微镜，电子束穿过样品——正像X　射线穿过软组织——投到显示屏或者照相底片上。样品中更密的区域让更少的电子通过，更疏的区域则让更多的电子通过。 另一种类型叫做扫描电子显微镜，则是让电子从样品中反射。

运用环境扫描电子显微镜（ESEM，照片的右上方），科学家不再需要像早期的电子显微镜那样，把样品放在完全真空之中，从而可以考察活的对象。

最好的光学显微镜只能放大实际大小的2 000倍，而20世纪40年代和　50年代的电子显微镜可以把放大倍数增加到250 000到300 000倍。生物学家很快就想到可用新的电子显微镜来研究一种奇异的生物：噬菌体。1940年，德国有几位研究者发表了有关这些病毒的第一份电子显微镜研究成果。他们的工作显示，感染颗粒附着在细菌细胞壁的外侧。这是一则关于这种生物作用机理的令人惊奇的新闻。1942年，微生物学家卢里亚（Salvador Edward Luria，1912—1991）得到了第一张不错的噬菌体电子显微照片。1945年，细胞学家克劳德（Albert Claude，1898—1983）率先运用电子显微镜研究细胞结构。 当年他发表了第一篇细胞解剖学的详细图片，其结构之精细在10年前难以想象。

在未来的岁月里，电子显微镜将会发挥越来越重要的作用。

概括说来，1895年到1945年是一个在巴斯德、科赫以及其他人奠定的基础上，微生物学和生物化学大展身手的时期，对于生命功能及其过程有数不清的奥秘已被揭示，此外还在医学方面作出了许多激动人心的突破。这些方法也将在遗传现象的研究上发挥作用，正如下一章所要讲到的那样——生物化学和微生物学在20世纪前半叶茁壮成长，时至今日，在生命科学中仍然处于研究前沿。