張桂忠

副教授，內(nèi)蒙古師范大學(xué)體育學(xué)院/科學(xué)技術(shù)史研究院，呼和浩特 010022

阿奇博爾德·希爾(1886—1977年)

阿奇博爾德·希爾(Archibald Vivian Hill，1886—1977年)是20世紀(jì)英國卓越的生理學(xué)家。他的名字和成就被廣泛地載入生物學(xué)史或醫(yī)學(xué)史中。事實上，他在早期的研究成果就足以給人留下深刻的印象。1910年，在分析血紅蛋白氧合過程時希爾提出了經(jīng)驗公式y(tǒng)=Kxn/(1+Kxn)[1]，這一公式以及其中后來被用于判斷別構(gòu)酶類型的希爾系數(shù)(即n)在生物學(xué)界人所共知。希爾長期從事離體肌肉和神經(jīng)的熱力學(xué)研究，取得了豐碩的成果。他因有關(guān)肌肉產(chǎn)熱的發(fā)現(xiàn)令人艷羨地“走向斯德哥爾摩”，榮膺1922年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，從而書寫了個人科研生涯極其輝煌的一頁。與希爾共享此殊榮的是德國生物化學(xué)家奧托·梅爾霍夫(Otto Fritz Meyerhof)。90多年后的今天，當(dāng)揭開塵封的歷史，重新審視希爾獲獎這件不尋常的往事，這段佳話和其他年度獲獎一樣，仍然熠熠生輝，發(fā)人深思，予人以深刻啟示。

1 開始肌肉熱力學(xué)研究

希爾年少時頗具數(shù)學(xué)天賦，小學(xué)和中學(xué)時代他的數(shù)學(xué)成績都非常優(yōu)秀。1905年希爾通過了劍橋大學(xué)三一學(xué)院的獎學(xué)金考試，借此進入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。1907年希爾參加劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)位考試，成為第三位甲等合格者(wrangler)。但進入大學(xué)后，希爾對數(shù)學(xué)的興趣開始衰減，他在劍橋的第一年里就開始認(rèn)真考慮要轉(zhuǎn)學(xué)其他專業(yè)。他的導(dǎo)師沃特·弗萊徹(Walter Morley Fletcher)鼓勵他從事生理學(xué)研究。希爾和弗萊徹有很深的友誼，他們有許多共同的興趣愛好，還都擅長跑步。當(dāng)時弗萊徹正和弗雷德里克·霍普金斯(Frederick Gowland Hopkins，1929年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者)在生理實驗室進行離體蛙肌的化學(xué)以及乳酸的生成與氧化清除的研究工作。希爾聽從了弗萊徹的建議，于1907年10月在他參加了數(shù)學(xué)學(xué)位考試后沒多久又開始了新的課程，這一次他選了生理學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)。經(jīng)過2年的努力學(xué)習(xí)，希爾參加了自然科學(xué)學(xué)士學(xué)位考試第二部分生理學(xué)的考試，取得了第一名的成績，從而轉(zhuǎn)變成為一名尚顯青澀卻頭腦敏銳的生理學(xué)家。當(dāng)時的生理實驗室里云集了一批杰出的學(xué)者，這對希爾的學(xué)術(shù)成長和研究工作產(chǎn)生了良好的影響。

1909年11月，時任劍橋大學(xué)生理實驗室主任的約翰·蘭利(John Newport Langley)寫信給希爾，建議他今后致力于離體蛙肌的熱力學(xué)效率研究，并指出弗萊徹和霍普金斯已在相關(guān)方面做出重要貢獻，他們的指導(dǎo)對希爾從事相關(guān)工作非常有利。蘭利還送給希爾一個由已故馬格努斯·布里克斯(Magnus Blix)教授設(shè)計的熱電偶記錄儀，只是其中檢流計的主要部件不見了。此時的希爾剛剛成功通過學(xué)士學(xué)位考試第二部分生理學(xué)的測試，輕松而興奮，信心滿滿，自認(rèn)為沒有什么是不可以做到的。他接受了蘭利的建議，并著手修繕和改進了這部殘缺不全的儀器，運用這個記錄儀開始了肌溫研究。他最早的作品于 1910年當(dāng)年完成，那時候他已經(jīng)能夠測到離體蛙肌單收縮的熱反應(yīng)了。當(dāng)時德國在肌肉熱力學(xué)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先的地位，希爾開始相關(guān)研究后，德國學(xué)者的成果很快引起了他的關(guān)注。早在 1848年，赫赫有名的生物物理學(xué)家赫爾曼·赫爾姆霍茨(Hermann Von Helmholtz)就首次對離體蛙肌的產(chǎn)熱做了記錄，開創(chuàng)了這一領(lǐng)域研究工作的先河。利用三個熱電偶和一個檢流計相連，年輕的赫爾姆霍茨測定了蛙腿部肌肉長時間收縮時溫度的上升。1847年，赫爾姆霍茨發(fā)表了劃時代的巨著《論力的守恒》，肌肉熱的測定顯然是他在思考能量守恒的情況下完成的。接下來研究肌肉產(chǎn)熱的德國人是魯?shù)婪颉ず５呛Ｒ?Rudolf Heidenhain)和阿道夫·菲克(Adolf Fick)。海登海因在這方面的工作都收入他在 1864年發(fā)表的專著中。他發(fā)現(xiàn)肌肉利用的能量很大程度上取決于它的長度和負(fù)荷。他甚至開始從化學(xué)的角度檢驗自己的那些結(jié)論。菲克的名字在物理學(xué)界主要因菲克擴散定律而為人所知。與海登海因不同，菲克和他的學(xué)生們對肌肉熱的研究持續(xù)了很多年，他們的研究成果集中在菲克1882年、1889年和1903年的專著中，前面提到的布里克斯就是菲克最出名的學(xué)生。此后，奧托·弗蘭克(Otto Frank)對所有的早期工作進行記述，于 1904年發(fā)表了一篇長達167頁的文章。弗蘭克本人此前從未從事過這個領(lǐng)域的工作，但他能從多得驚人的矛盾證據(jù)和可疑結(jié)論中挑選出重要的結(jié)果和富于成果的思想。進入 20世紀(jì)，對肌肉熱研究做出重要貢獻的還有卡爾·比克(Karl Bürker)，比克發(fā)表過一篇有關(guān)肌溫技術(shù)的詳細綜述，描述了所有以前的研究者使用過的方法。希爾對弗蘭克的工作給予了高度評價，弗蘭克發(fā)表在《生理學(xué)成就》(德)上的那篇優(yōu)秀長篇論文給他留下了深刻的印象，使他認(rèn)識到有必要更多地了解德國生理學(xué)家們的開拓性工作，熟悉當(dāng)時德國為數(shù)不多的仍在進行這方面研究工作的幾個地方所應(yīng)用的技術(shù)。為了尋求實用的替代方法，尤其是測量緩慢持久的產(chǎn)熱，希爾已經(jīng)開始設(shè)計制作巧妙的差示測熱計，用它進行試驗。但他還是在 1911年初決定中止自己的工作，赴德國進行為期4個月的訪學(xué)。希爾訪問了萊比錫和耶拿，進而到達蒂賓根，在卡爾·比克的實驗室停留了幾個星期?？枴け瓤司蜆?gòu)建熱電堆向希爾提出了建議。希爾還到著名紅外光譜學(xué)家弗里德里?！づ列?Friedrich Paschen)的實驗室，帕邢教希爾設(shè)計檢流計，還送給他一個自己研究所制作的迅速靈敏的儀器。返回英國后，希爾繼續(xù)研制他的測熱計，結(jié)合從帕邢那兒得來的新檢流計進行研究，得出大量有意義的結(jié)果。沒多久比克的指導(dǎo)也派上了用場。

2 有氧恢復(fù)熱的發(fā)現(xiàn)

就像蘭利所直覺到的那樣，測熱方法的應(yīng)用很快引出了關(guān)于氧的作用的關(guān)鍵實驗。在 1912年，希爾首次發(fā)表了對肌肉恢復(fù)熱的重要記述[2]。實驗中在特定時刻釋放一定量的熱會導(dǎo)致檢流計發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，這個偏轉(zhuǎn)上升到最大后，由于熱的傳導(dǎo)又逐漸下降至零。一塊活的肌肉，如果產(chǎn)生的熱是在刺激的時刻或之后立即釋放的，則檢流計偏轉(zhuǎn)的情況是相同的。但事實上，希爾發(fā)現(xiàn)這個“實時”的偏轉(zhuǎn)與“對照”大為不同，在希爾最早的觀察中檢流計會偏離零位達十分鐘之久，這顯然遠遠長于檢流計在“對照”中的偏轉(zhuǎn)，因為如果肌肉只是在開始時有產(chǎn)熱的話，那么檢流計會在兩三分鐘內(nèi)返回零位。這個現(xiàn)象只能解釋為，活的肌肉的產(chǎn)熱不是只在開始時即時發(fā)生，而是隨時間分布的，即在后來也有產(chǎn)熱發(fā)生。希爾把這個新發(fā)現(xiàn)的延遲產(chǎn)熱稱為恢復(fù)熱(recovery heat)，恢復(fù)熱與肌肉收縮過程中的產(chǎn)熱稱為初始熱(initial heat)?；謴?fù)熱只在有氧的情況下存在，當(dāng)把肌肉置于氮氣中時，恢復(fù)熱就消失了[3-4]。

對于以前的研究者來說，肌肉收縮過程中釋放的熱似乎是一體的、不可分割的，也就是說是一種單一的現(xiàn)象?，F(xiàn)在希爾的研究證實事實并非如此，這的確是個驚人的發(fā)現(xiàn)。接下來的工作包含了一種新的研究方法的起點，它使得追蹤肌肉運動中各個階段的放熱過程成為可能[5]。要不是“一戰(zhàn)”爆發(fā)造成的干擾，這一系列的研究應(yīng)該可以提早幾年得到成熟的結(jié)果。希爾的生理學(xué)研究在1914年8月徹底中斷了。戰(zhàn)爭剛爆發(fā)，他就參加了劍橋郡團，直到1919年3月復(fù)員才返回實驗室。1920年希爾和他的助手、合作者威廉·哈特里(William Hartree)認(rèn)真研究了肌肉等長收縮的產(chǎn)熱率，發(fā)表了《肌肉產(chǎn)熱的四個階段》一文[6]。這篇論文的發(fā)表具有歷史性的重要意義：它把離體骨骼肌在長時間等長收縮過程中的肌溫反應(yīng)分成了幾個不同的階段：(1)與肌肉興奮和張力發(fā)展相關(guān)的初始熱；(2)張力維持時期的維持熱；(3)刺激結(jié)束時的舒張；(4)之后持續(xù)幾分鐘的氧化恢復(fù)熱。而且它表明肌肉收縮和舒張時的產(chǎn)熱均與氧無關(guān)，即為無氧過程。

所有這些都是以測熱技術(shù)的改進為基礎(chǔ)的。肌溫研究的主要困難在于相關(guān)變化的幅度太小，也太過迅速。在20℃時蛙的腓腸肌收縮導(dǎo)致的溫度上升不會超過 0.003℃，與恢復(fù)過程相對的早期階段所需時間也僅為幾百分之一秒[7]。因此，開展研究首要的基本條件就是要有非常靈敏的測熱裝置和極為迅速而輕靈的記錄儀器。為此希爾按照比克的指導(dǎo)構(gòu)建了特殊的熱電堆，并采用適當(dāng)?shù)淖銐蜢`敏的檢流計(圖 1)。他還引入直接溫度對照，依據(jù)死亡的肌肉進行時間和絕對幅度的校準(zhǔn)[7]。起初記錄系統(tǒng)(熱電堆和檢流計)的反應(yīng)還是不夠迅速，不足以對溫度變化的時程進行直接可靠的記錄，但是隨著研究的推進和要求的不斷提高，記錄系統(tǒng)的反應(yīng)速度和靈敏度都得以改善。從 1914年起希爾開始以一種更好的新型儀器取代過去的測熱工具，并在此后的 50年間不斷地加以改進[7]。1922年恢復(fù)熱得到了重測[8]，兩個獨立的產(chǎn)熱階段再次得到了證實。初始熱伴隨著收縮-舒張循環(huán)，獨立于氧；恢復(fù)熱在確定的延擱后開始顯現(xiàn)，直到舒張結(jié)束后很久才消失。在數(shù)量方面，早期的結(jié)果被修正：總的恢復(fù)產(chǎn)熱是初始熱的1.5倍。不過現(xiàn)在的恢復(fù)熱里還包含了一個無氧的成分，這部分熱難以精確測量，而且人們又看不出它到底意味著什么，只是到了最后才證實是確實存在著的新的發(fā)現(xiàn)。

圖1 希爾測量肌肉產(chǎn)熱的一種方法[9]

希爾的發(fā)現(xiàn)對肌肉活動過程的概念產(chǎn)生了革命性的影響。通常認(rèn)為這一過程可以分為兩個階段，即緊張和放松，這對于肌肉活動的機械過程來說無疑是正確的；但是對于化學(xué)過程現(xiàn)在則必須采用另外一種新的劃分方法：工作階段和之后的氧化恢復(fù)階段，其中前者對應(yīng)于整個機械過程，且與氧的供應(yīng)無關(guān)。如果說在以前對肌肉活動過程的思考中，研究者主要是對收縮本身感興趣的話，那么現(xiàn)在他們的研究就開始指向安靜狀態(tài)，尤其是在疲勞之后了?；瘜W(xué)的而非物理的考慮現(xiàn)在更加吸引人們的注意[5]。希爾這項研究的深刻影響在1922年得到了體現(xiàn)，這一年，諾貝爾委員會接納了希爾的工作并授予他諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。自諾貝爾獎設(shè)立以來這是第 4次因生理學(xué)發(fā)現(xiàn)而授獎——之前的獲獎?wù)叻謩e是巴甫洛夫(1904年)、巴拉尼(1914年)和克羅赫(1920年)。希爾對一項精巧的生物物理學(xué)技術(shù)的絕佳運用，他的成果以及由此投向探索活細胞化學(xué)反應(yīng)完成機械功的新的曙光，都代表著實驗生理學(xué)的真正勝利！[10]

3 影響與突破

對于熱的測定，希爾有這樣的觀點：熱力學(xué)，盡管只是提供一個“化學(xué)圖景的框架”，卻有助于得出系統(tǒng)的某些特征，就算對其詳細的內(nèi)部構(gòu)造一無所知。肌肉收縮這樣的生物學(xué)過程受化學(xué)引擎的驅(qū)動，應(yīng)用熱力學(xué)規(guī)律應(yīng)當(dāng)是有益的。希爾的目的就是利用相對較好的時間分辨率，根據(jù)產(chǎn)熱和機械功來測定反應(yīng)的產(chǎn)物，并把測得的數(shù)與有關(guān)肌肉化學(xué)變化已知的或正在被發(fā)現(xiàn)的知識聯(lián)系起來[10]。起初希爾的分析是粗略的，只揭示了事實本身和確定了產(chǎn)熱的數(shù)量級。然而這已足以證實恢復(fù)熱的存在，并且使人很自然而正確地把它與弗萊徹和霍普金斯發(fā)現(xiàn)的乳酸的有氧清除聯(lián)系起來[3]。弗萊徹和霍普金斯大約在1905年開始共同研究肌肉中的乳酸，1907年3月他們在《生理學(xué)雜志》上發(fā)表了著名的論文《兩棲動物肌肉中的乳酸》[11]。他們發(fā)現(xiàn)，肌肉在沒有氧的情況下會產(chǎn)生乳酸，放松狀態(tài)下較慢，活動狀態(tài)下則較快，不過在有氧的情況下這些乳酸就又消失了。他們傾向于支持收縮過程中釋放的乳酸不是被氧化，而是被用于再合成，即恢復(fù)到它的初始狀態(tài)。

希爾的研究結(jié)果也支持弗萊徹他們的這種觀點。粗略估計他的有氧恢復(fù)熱大約等于總的初始熱，這一估計似乎不容質(zhì)疑地回答了乳酸命運的問題。希爾先前的實驗表明肌肉強直時每產(chǎn)生1 g乳酸就會釋放約 500 cal(1 cal=4.182 J)的熱量，因此，如果恢復(fù)熱與初始熱相等，那么有氧清除1 g乳酸就將導(dǎo)致產(chǎn)生約500 cal的熱量，這顯然不足乳酸氧化熱的 1/7。由此看來乳酸并非經(jīng)氧化清除[3]。但是1914年雅各布·帕納斯(Jakub Karol Parnas)在劍橋的短暫逗留卻將結(jié)論引到另外一個方向。這位來自斯特拉斯堡的生物化學(xué)家使蛙的腓腸肌徹底疲勞，然后在有氧的條件下恢復(fù)，他對恢復(fù)期所消耗的氧和釋放的熱進行了平行測定。他發(fā)現(xiàn)氧耗足以使消失的乳酸完全燃燒，并且釋放的熱量約為乳酸燃燒熱的一半。帕納斯得出的結(jié)論是：首先乳酸完全燃燒而非重建，其次如此釋放的熱大約有一半在肌肉中以勢能的形式儲存[7]。這樣的答案從肌肉的技術(shù)設(shè)計來說其實是令人困惑的，并不能使人感到滿意，但是一時之間也只能接受帕納斯的結(jié)果和結(jié)論，整個這方面的研究也被暫時擱置起來[7,10]。當(dāng)時所有參加研究這一課題的人們都采取了一種簡單的“兩者居其一”的態(tài)度：要么是乳酸被重建為它的前體，而以其他物質(zhì)的氧化為代價，要么則是被燃燒，所釋放的能量用于另一種物質(zhì)的重建過程[10]。直到梅爾霍夫開始研究這個問題這一切才出現(xiàn)改觀。

梅爾霍夫一生的事業(yè)都與肌肉收縮的生物化學(xué)研究有關(guān)。1918年梅爾霍夫正在進行組織呼吸的研究工作，這時他開始關(guān)注發(fā)生在存活肌肉里的事情。起初梅爾霍夫也接受帕納斯的結(jié)論，但是他也認(rèn)為這并不真正影響希爾計算的結(jié)果。最重要的是，1920年梅爾霍夫?qū)∪饣謴?fù)過程中的乳酸代謝和氧消耗，產(chǎn)熱和氧消耗，以及安靜狀態(tài)、工作中和恢復(fù)期肌肉的糖和乳酸代謝進行了平行測定，這些測定最終為問題找到了確定性的答案。梅爾霍夫發(fā)現(xiàn)：在恢復(fù)期對應(yīng)于氧的消耗的乳酸代謝不超過乳酸消失總量的 1/4～1/3，顯然大部分乳酸是通過其他方式消失的；產(chǎn)熱與根據(jù)同時所觀察到的氧耗計算出的熱相比偏低，提示乳酸的燃燒與某個吸熱的過程相結(jié)合，在此過程中部分熱量被利用了；當(dāng)乳酸在肌肉中蓄積時，相當(dāng)數(shù)量的糖消失了，而當(dāng)乳酸消失時，肌肉中的糖又增多，增多的量相當(dāng)于消失的乳酸總量與氧化的量的差。這就是說在肌肉恢復(fù)過程中每3到4個乳酸分子中至多只有一個被氧化，而剩余的乳酸則重新合成為最初形成它的前體物質(zhì)——肌糖原[5,12]。

在諾貝爾獎的授獎儀式上，梅爾霍夫毫不保留地承認(rèn)和感謝了希爾的肌溫測量對自己研究工作的指導(dǎo)作用。他說：“當(dāng)希爾教授有此重要發(fā)現(xiàn)時，在這昏暗之中便出現(xiàn)了一縷亮光?！薄罢沁@一發(fā)現(xiàn)如燈塔之光洞穿海上迷霧，使我得以平安前行，駛過險灘?！盵12]同樣，希爾和哈特里現(xiàn)在也能夠充分利用梅爾霍夫的補充工作，包括他測定的糖原的燃燒熱，和乳酸形成與中和的測熱值。事實上，希爾與梅爾霍夫兩個來自異國進行不同領(lǐng)域獨立研究的科學(xué)家，現(xiàn)在共同建立起了肌肉工作的新的模型[5]。最初肌肉工作機制的模型具有熱機的原型，而現(xiàn)在可以用下面的方式說明肌肉活動過程：肌肉內(nèi)的化學(xué)變化構(gòu)成其機械過程(對外做功)的基礎(chǔ)，這個化學(xué)變化需要先形成一定量的乳酸，而乳酸來自于肌肉的糖原貯備。當(dāng)乳酸完成其工作后，有1/4燃燒成為二氧化碳和水，其余3/4又轉(zhuǎn)變?yōu)樘窃?。按照這個新模型計算，肌肉工作效率的上限將是50%，這完全符合事情的真實情況[5]。顯然，希爾和梅爾霍夫的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)界激動人心的一個大突破！[10]

時光如梭，科學(xué)的發(fā)展日新月異，如今乳酸這個曾經(jīng)被認(rèn)為在肌肉工作中占據(jù)首要地位的核心物質(zhì)早已退下神壇，人們對肌肉活動的供能過程有了相當(dāng)全面的認(rèn)識和理解：體內(nèi)的糖、脂肪等能源物質(zhì)分解釋放所蘊藏的化學(xué)能，用于合成三磷酸腺苷(ATP)，ATP則作為肌肉活動的直接供能物質(zhì)。在今天的研究者看來，肌肉產(chǎn)生的恢復(fù)熱已經(jīng)變得平淡無奇，甚至有人會因為歷史的久遠、知識的陳舊而將它遺忘。不過，過去的發(fā)現(xiàn)所具有的不僅僅只是歷史的價值。希爾的勤奮、堅韌和不懈進取值得我們不斷學(xué)習(xí)和弘揚，而他高屋建瓴的學(xué)術(shù)思想和獨特的研究視角仍然在給予我們現(xiàn)實的啟迪。誠如希爾所言：“既往的偉業(yè)，若是被下一代或后人疏忽了，他們就很難不在生活中妄從。前人留下的足跡，并不是要后人踩著亦步亦趨，而是啟發(fā)他們該朝哪一個方向邁進！”[13]

[1] HILL A V. The possible effects of the aggregation of the molecules of haemoglobin on its dissociation curves [J]. The Journal of Physiology,1910, 40: 4-7.

[2] HILL A V. The delayed heat production of muscle stimulated in oxygen [J]. The Journal of Physiology, 1912, 45: 35-37.

[3] HILL A V. The mechanism of muscular contraction [M]//Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1922-1941. Amsterdam: Elsevier Publishing Company, 1965.

[4] HILL A V. The energy degraded in the recovery processes of stimulated muscle [J]. The Journal of Physiology, 1913, 46: 28-80.

[5] JOHANSSON J E. Award Ceremony Speech [M]//SANTESSON C G.Les Prix Nobel en 1921-1922. Stockholm: Nobel Foundation, 1923.

[6] HILL A V, HARTREE W. The four phases of heat production of muscle [J]. The Journal of Physiology, 1920, 54: 84-128.

[7] HILL A V. Trails and Trials in Physiology: a Bibliography, 1909-1964;with reviews of certain topics and methods and a reconnaissance for further research [M]. Baltimore: Williams and Wilkins, 1966.

[8] HARTREE W, HILL A V. The recovery heat-production in muscle [J].The Journal of Physiology, 1922, 56: 367-381.

[9] AIDLEY D J, 著. 周培愛，等, 譯. 可興奮細胞的生理學(xué)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 1983.

[10] KATZ B. Archibald Vivian Hill. 26 September 1886-3 June 1977 [J].Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, 1978, 24:71-149.

[11] FLETCHER F W, HOPKINS, F G. Lactic acid in amphibian muscle[J]. The Journal of Physiology, 1907, 35: 247-309.

[12] MEYERHOF O F. Energy conversions in muscule [M]//Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1922-1941. Amsterdam : Elsevier Publishing Company, 1965.

[13] 李澄之. 諾貝爾醫(yī)學(xué)獎金獲得者傳略[M]. 北京: 科學(xué)普及出版社,1981.