阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第18部分
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第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
的混合物提供了一种手段。（实际上，放射性同位素可以使纸色谱
法得到很好的改进；纸上表示示踪剂存在的放射性斑点，会使放在
它下面的底片产生黑点，因此，色谱图就能拍下自己的照片，这种
技术叫做放射自显影。）
第二次世界大战以后，由美国生物化学家卡尔文领导的另一
个小组接着进行研究。它们把微小的单细胞植物（小球藻）在含有
碳…14的二氧化碳里暴露一小段时间，为的是让它只进行最初阶
段的光合作用。然后他们把这些植物细胞捣碎，在色谱图上把它
们的物质分离，并进行放射自显影。
他们发现，即使这些细胞在有标记的二氧化碳中仅暴露112
分钟，放射性碳原子就会在细胞内
15种不同的物质中出现。通过
缩短暴露的时间，吸收放射性碳的物质的数目减少了。最后他们
断定，细胞吸收二氧化碳的碳
…14而形成的第一种（或接近第一
种）化合物是磷酸甘油。（他们从未探测到任何甲醛，因此，那个延
续了多年的甲醛学说便悄悄地从画面上消失了。）
磷酸甘油是一种三碳化合物。很明显，它一定是通过迂回的
途径形成的，因为找不到在它前面的一碳或二碳化合物。他们还
找到了两种其他含有磷酸基的化合物，它们都能在极短的时间内
吸收带有标记的碳。它们是两种糖：二磷酸核酮糖（一种五碳化合
物）和磷酸景天庚酮糖（一种七碳化合物）。研究者鉴定了催化这
些糖有关反应的酶，并研究了那些反应，最后弄清了二氧化碳分子
的行径。
首先，把二氧化碳加入五碳的二磷酸核酮糖，形成一种六碳化
合物。这种化合物很快分裂成两个，成为三碳的磷酸甘油；紧接
着，有关磷酸景天庚酮糖和其他化合物的一系列反应把磷酸甘油
聚合在一起，形成六碳的磷酸葡萄糖；同时，二磷酸核酮糖再生了，
又吸收另一个二氧化碳分子。人们可以想象，六个这样的循环在
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不停地运转着。每转一周，每一个循环提供一个碳原子（来自二氧
化碳），利用这些碳原子合成一个磷酸葡萄糖分子。六个循环再转
一周，又生产出另一个磷酸葡萄糖分子，如此反复进行。
从能量的观点来看，这种循环与柠檬酸循环正好相反。柠檬
酸循环把碳水化合物的片段转换分解成二氧化碳，而二磷酸核酮
糖循环用二氧化碳合成碳水化合物。柠檬酸循环给生物体输送能
量；二磷酸核酮糖循环正好相反，它必须消耗能量。
至此正好与鲁宾和卡门早期研究的结果相符。由于叶绿素的
催化作用，可以利用日光能把水分子分解成氢和氧，这个过程叫做
光解（源自希腊语，意思是“由光解开”）。这是日光的辐射能转变
成化学能的方式，因为氢分子和氧分子含有的化学能大于分解成
它们的水分子所含的化学能。
在其他情况下，要把水分子分解成氢和氧需要大量的能量，例
如，要把水加热到大约
2 000℃或让强电流从水中通过。但是叶绿
素在一般的温度下很容易做到这一点，它所需要的只是可见光的
比较微弱的能量。植物利用它吸收的光能，效率至少为
30％，有
些研究者认为，在理想的条件下，它的效率可以接近
100％。如果
人类能够像植物那样有效地利用能量的话，我们就大可不必担心
我们的食物和能量的供应了。
水分子分解以后，有一半的氢原子进入二磷酸核酮糖循环，有
一半的氧原子被释放到空气中，其余的氢原子和氧原子重新化合
成水。在化合的过程中，它们释放出阳光分解水分子的时候给予
它们的多余的能量，而这种能量又被转移给像
ATP那样的高能磷
酸化合物，储存在这些化合物里的能量又被用来推动二磷酸核酮
糖循环。由于在破译有关光合作用中的反应方面的贡献，卡尔文
获得
1961年的诺贝尔化学奖。
的确，有些生命形态不依靠叶绿素来获得能量。
1880年前
第十二章 蛋白质
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后，人们发现了化能自养菌：在黑暗中吸收二氧化碳但不释放氧的
细菌。这些细菌有的靠氧化硫化合物取得能量，有的靠氧化铁化
合物，还有的喜欢其他一些古怪的化学行为。
然而也有一些细菌含有类似于叶绿素的化合物（细菌叶绿
素），因而使这些细菌能够利用光能把二氧化碳转变成有机化合
物。在某些情况下，细菌叶绿素甚至能够利用近红外区的光能，而
一般的叶绿素却无能为力。但是，只有叶绿素本身才能使水分解，
并把这样得到的大量能量储存下来；细菌叶绿素的“设备”能力就
小得多，只能凑合着生活。
除了由叶绿素利用阳光获得基本能量以外，其他任何获得基
本能量的方法都必定是行不通的；比细菌复杂的生物，只是在非常
罕见和特殊的情况下，才有成功地利用这些方法的可能性。对于
几乎所有的生命来说，叶绿素和光合作用都直接或间接地是生命
的基础。
（王爱琴 译）
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第十三章 细 胞
染 色 体
直到近代人类对自己身体的情况一直知之甚少，这实在令人
难以置信。实际上，只是在大约 300年前，人类才知道了血液循
环；只是在最近 50多年中，人类才发现了许多器官的功能。
史前人类从切割动物以便烹煮和用香料处理死者以备来世的
经历中，了解到人有脑、肝、心、肺、胃、肠和肾等主要器官。在预卜
未来和猜测神意的仪式上，经常使用动物的内脏（特别是肝）作为
祭礼，这样就进一步增强了对这些器官的认识。埃及人用文字正
确地记载了这些手术技术，表明当时对身体的结构已经相当熟悉，
这可以追溯到公元前 2000年以前。
古希腊人为了了解解剖学的知识，甚至解剖动物，有时也解剖
人的尸体。他们做了一些难度很大的手术。大约在公元前 500年，
科罗顿的阿尔克美翁首次描述了视神经和耳咽管。两个世纪以后，
在埃及的亚历山大城（当时是世界的科学中心），希罗菲卢斯和他的
学生埃拉西斯特拉图斯成功地开办了一所希腊解剖学校。他们研
究脑的各个部分，把脑分为大脑和小脑，同时也研究神经和血管。
古代的解剖学在加伦时期达到了顶峰。加伦是一位希腊医生，
第二世纪后半叶在罗马行医。加伦提出的关于身体功能的学说，在
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
其后的
1500年中一直被奉为金科玉律。但是他的有关人体的概念
充满了荒谬的错误——这是可以理解的，因为古代人是从解剖动物
中得到他们的大部分资料的。各种禁忌使人们不敢解剖人体。
早期的基督教作家攻击异教的希腊人，指责他们残忍无情，拿
人做活体解剖。但是对这种记载人们是有争议的。人们不仅怀疑
希腊人真的对人做过活体解剖，而且很明显他们对尸体的解剖也
很不够，因而没有学到多少人体解剖学的知识。无论如何，由于教
会反对解剖，使解剖学的研究在整个中世纪完全停顿下来。在这
段历史时期接近结束的时候，解剖学在意大利开始再度兴起。
1316年，意大利解剖学家蒙迪诺写了第一本专门论述解剖学的著
作，因此他以“解剖学的复兴者”而名扬天下。
文艺复兴时期对自然艺术的兴趣也促进了解剖学的研究。在
15世纪，列奥纳多·达·芬奇做了一些解剖，从中发现了解剖学的
一些新事实，并用天才的艺术能力把这些事实绘画下来。他画出
了脊柱的两个弯曲以及穿过面部和额部骨头的窦。他根据自己的
研究推导出的生理学理论比加伦的理论进步多了。虽然列奥纳
多·达·芬奇在文艺上和科学上都是一个天才，但是在当时他对科
学思想的影响并不大。不知道是由于本心不愿意还是由于谨慎，
他所有的科学研究成果都没有发表，而收藏在秘密的记事本里，直
到他的记事本最终出版发行，后人才发现他在科学上的成就。
法国医生费尔奈尔是近代第一个把解剖当作医生的重要职责
的人。1542年，他出版了一本关于解剖的书。但是，第二年又有
一部更伟大的著作问世，使他的著作几乎完全失去了光彩。这就
是著名的维萨里的《人体结构》。维萨里是比利时人，但他的大部
分研究工作是在意大利进行的。根据“要正确地了解人类就要对
人进行研究”的理论，维萨里解剖了人体，从而纠正了加伦的许多
错误。书中的人体解剖图被认为是艺术家提香的学生范卡尔卡所
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画，不但十分漂亮而且非常精确，直到今天人们仍在翻印，而且将
永远作为经典。维萨里可以说是近代解剖学之父。他的《人体结
构》和同年出版的哥白尼的《天体运行论》一样具有革命性。
正如伽利略使哥白尼引发的革命获得成果那样，维萨里开始
的革命也在哈维的重要发现中走向成熟。哈维是一位英国医生和
实验家，他与伽利略以及磁学实验家吉伯是同一时代的人。哈维
对体内的重要液体——血液特别感兴趣。血液在体内究竟干了些
什么呢？
当时已经知道有两套血管：静脉和动脉。（“动脉”一词是公元
前
3世纪一位名叫普拉哈高拉斯的希腊医生提出来的。这个词源
自希腊语，意思是“我携带空气”，因为这些血管在尸体内是空的。
加伦后来证明，动脉在活体内的功能是运送血液。）当时还知道心
跳驱使血液作某种运动，因为当切断动脉时，血液喷出的节奏和心
跳是一致的。
加伦曾提出，血液在血管里来回交替流动，先以一个方向流经
全身，再以相反的方向流回。根据这个理论，他必须解释清楚血液
的来回流动为什么不被心脏两半之间的间壁所阻挡。加伦的答案
很简单，他认为间壁上有许多看不见的小孔，可以让血液通过。
哈维对心脏进行了更仔细的观察。他发现，心脏的每一半都
分成两个腔，中间由一个单向的瓣膜隔开，血液只能从上面的腔
（心房）流入下面的腔（心室），但不能倒流。换句话说，进入一个心
房的血液可以泵入相应的心室，再从心室流入引出的血管，但不能
朝相反的方向流动。
后来哈维做了一些简单但非常明确的实验，来确定血管中血
流的方向。他把活动物的一根动脉或一根静脉结扎起来，观察在
结扎的哪一侧血管的血压会升高。他发现，当他使一根动脉停止
流动时，总是心脏和结扎处之间的血管膨胀起来，因此，动脉里的
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
血液一定是从心脏方向流出来的；当他结扎的是一根静脉时，膨胀
的血管总是在结扎处的另一侧，所以，静脉里的血液一定是流向心
脏的。还有一个事实可以进一步证明静脉血液的这种单向流动，
这就是较大的静脉含有阻止血液流离心脏的瓣膜。这个机制是哈
维的老师意大利解剖学家
H。 法布里齐乌斯发现的。但是，在加
伦传统的压抑下，他拒绝作出必然的结论，而把荣誉留给了他的英
国学生。
哈维继续用定量的方法测量血流（这是人们第一次用数学来
解决生物学的问题）。他的测量表明，心脏泵出血液的速率是：
20
分钟的泵出量相当于体内所含血液的总量。如果认为身体能够以
这样的速率制造新血液或消耗旧血液，这似乎是不合理的。因此，
合理的结论是，血液一定是在体内反复循环着。因为血液在动脉
内流离心脏，而在静脉内流向心脏，所以哈维断定，血液由心脏泵
入动脉，然后由动脉流入静脉，再由静脉流回心脏，接着心脏又把
血液泵入动脉，如此循环不已。换句话说，血液通过心脏…血管系
统连续不断地单向循环着。
包括列奥纳多·达·芬奇在内的早期解剖学家，曾经提示过这
种想法，但哈维是第一个详细地论述和研究这个学说的人。他把
他的推理和实验发表在一本印刷质量很差的小册子里，书名为《动
物心血运动的研究》。这本书于
1628年出版，从那时以来，一直被
认为是一部伟大的科学经典著作。
哈维的著作中没有解决的一个主要问题是：血液是怎样由动
脉进入静脉的？哈维认为，这两者一定是由某种血管连接着，尽管
这些血管很小，肉眼看不见。这使人回
