肌肉生热的研究史话

史仍飞  文

1922年德国科学家奥托·弗利兹·迈耶霍夫（Otto Fritz Meyerhof）与英国科学家阿奇博德•希尔(Archibald Vivian Hill)共同获得诺贝尔生理学或医学奖。前者主要研究肌肉中氧消耗和乳酸代谢问题，而后者主要从事有关肌肉能量代谢和物质代谢问题的研究。两个来自不同国度的科学家，因为都关注肌肉的能量代谢问题而共同获此殊荣。

以青蛙的肌肉做为研究材料，希尔关注于肌肉产热，他设计了一种温度电堆，用于测定离体蛙在缝匠肌的等长收缩实验中所产生的热能，这一仪器可测出百分之几秒之间温度升高0.003摄氏度的微小变化，利用这一仪器他获得了关于肌肉产热的新结论，肌肉在收缩和舒张期所产生的热量不到一半，另一半是在恢复期产生的。希尔还发现只有一小部分乳酸被彻底氧化成二氧化碳和水，大部分乳酸则在有氧条件下被重新还原为肌肉中的糖原，正是这些碳水化合物在肌肉运动的无氧条件下产生乳酸，他证明在缺氧条件下肌肉力来源于糖的分解并形成乳酸。同期德国科学家迈耶霍夫在前人研究的基础上指出：消失的糖原同出现的乳酸间存在着数量关系，且在过程中不利用氧气。活动的肌肉可以在无氧条件通过糖原酵解作用分解，同时他还证明若肌肉活动后休息，则部分乳酸氧化，形成能量，使大部分乳酸再转变为糖原。

鉴于两人对肌肉运动的能量转换做出了解释，才得以分享了1922年的诺贝尔奖生理学或医学奖。他们的发现对肌肉活动过程的概念产生了革命性的影响，为探明肌肉能量供应的完整化学图景开辟了道路，其工作迄今影响着肌肉生理学和运动生理学的发展。这一荣誉也是自诺贝尔奖设立以来这是第四次因生理学发现而授奖——之前的获奖者分别是巴甫洛夫(1904年)、巴拉尼(1914年)和克罗赫(1920年)。

由于对肌肉研究工作的兴趣，迈耶霍夫早年就从事有关生物能量转换问题的研究，阐明了肌肉收缩过程中糖原和乳酸的循环转变。1884年4月12日，迈尔霍夫出生于德国汉诺威的一个犹太家庭，大学就读斯特拉斯堡大学与海德堡大学，1909年从大学毕业，1912年进入基尔大学任教，并在1918年成为教授。1919年，在一个热量新陈代谢的实验中，迈耶霍夫证实了肌肉细胞可以在无氧的条件下发生代谢，叫做无氧糖酵解（anaerobic glycolysis）。他的试验还表明：当肌肉随后放松时，大约1/5的乳酸被氧化，又被恢复成肝糖，重新开始循环。

1924年，迈耶霍夫移居到柏林，在柏林凯塞•威廉学会（Kaiser Wilhelm Society，即现在的马克斯•普朗克学会）工作。1929年，迈耶霍夫成为新成立的海德堡凯塞威廉医学研究院（Kaiser Wilhelm Institute for Medical Research in Heidelberg）院长。1938年，反犹太政策迫使迈耶霍夫离开了德国。他去了巴黎，在那里做物理化学生物研究所（Institut de Biologie Physico-chimique）的研究主任。1940年纳粹入侵法国后，迈耶霍夫移民到了美国。他于1940年被任命为宾夕法尼亚大学生理化学研究教授，并且在那里一直工作到1951年，后来，由于心脏病突发而去世。

相较于迈耶霍夫的流离颠沛，希尔的一生除了因战争而中断的科研工作，则较为平坦。

　1886年9月26日，希尔出生于英格兰西南部海滨城市布里斯托尔。由于早年的父母离异，希尔和妹妹随母亲生活。虽然家境贫寒，但是母亲重视孩子们的教育。少年时代的希尔是一个数学神童， 1905年希尔进入剑桥大学三一学院学习。但是在进入大学的头一年希尔就对数学厌倦了。导师弗莱彻（W. M. Fletcher）了解到他的想法后，鼓励他从事生理学研究。当时弗莱彻正和霍普金斯（F. G. Hopkins，1929年诺贝尔生理学或医学奖获得者）在生理实验室进行离体蛙肌的化学与乳酸代谢的研究工作。希尔听从了弗莱彻的建议，经过个人努力和导师的引导，他顺利地进入生理学领域的途径，当时的生理实验室云集了一批杰出的学者，对希尔的学术成长和研究工作产生了良好的影响。早期希尔主要借助其数学方面的天赋为实验提供理论支撑和帮助，当时他比较有影响力的工作是对血红蛋白与氧结合关系的研究，提出了希尔经验公式。后来在实验室主任约翰·兰利(John Newport Langley)的指导下，开始肌肉的热力学的研究。

鉴于德国在这方面处于领先地位，希尔于1911年赴德访学，熟悉当时那里使用的先进技术。肌温观察的基本困难在于温度变化小而迅速，例如蛙的缝匠肌颤搐时温度上升不超过0.003℃，持续时间仅为几百分之一秒。但是希尔努力提高测热仪器的灵敏度与速度，解决了这些难题。1918年希尔被选为皇家学会会员。1920年他离开剑桥来到曼彻斯特大学任生理学教授。1923年秋天希尔再度调离，赴伦敦大学学院担任生理学讲座教授之职。

在前人研究的基础上，两个在不同领域进行独立探索的科学家共同建立起肌肉工作的新模型：肌肉完成的机械过程（对外做功）以其内部化学变化为基础，这个化学变化需要先形成一定量的乳酸，而乳酸来自于肌肉的糖原储备。当乳酸完成其工作后，有1／4燃烧成为二氧化碳和水，其余3／4又转变为糖原。新模型的建立，向着最终勾画出肌肉能量供应的完整化学图景迈开了坚实的一步，无疑是科学界的一个重大突破。尤其需要提出的是希尔在运动生理学研究领域的开创性工作，首次清晰地描述了最大摄氧量（maximal oxygen uptake）的概念，后来提出氧债学说。尽管氧债学说后来经过不断修正，并最终被推翻，但是它的提出引发了对运动后氧耗与乳酸代谢的深入研究，从而大大推动了运动科学向前发展的进程。

20世纪20年代，希尔（HILL）出版了他的三部运动生理学名著：《肌肉活动》、《人类的肌肉运动——调速度与疲劳恢复的因素》和《有生命的机械》等，对人体激烈运动时肌肉工作的动力学等方面进行了系统深入的探索，他提出的关于肌肉工作的许多观点至今认为学者们所引用。由于他对运动生理学发展所做的巨大贡献，希尔被一些生理学工作者认为是“运动生理学之父”。值得一提的是我国著名的生理学家冯德培早年就在英国伦敦大学学院希尔的实验室（１９３０~１９３３年）进行神经和肌肉的能力学研究。

希尔大半生的研究围绕肌肉能量的热力学研究，梅耶霍夫一生的事业都与肌肉收缩的生物化学研究有关。在诺贝尔奖的授奖仪式上，梅尔霍夫毫不保留地承认和感谢了希尔的肌温测量对自己研究工作的指导作用。他说：“当希尔教授有此重要发现时，在这昏暗之中便出现了一缕亮光。”正是这一发现如灯塔之光洞穿海上迷雾，使我得以平安前行，驶过险滩“。

光阴荏苒，如今对肌肉的供能和乳酸的代谢过程有了全面的认识和理解，对肌肉产热的概念已经变得平淡无奇，甚至有人会因为历史的久远、知识的陈旧而将它遗忘。不过，当揭开尘封的历史，重新审视他们对科研的执着和投入，以及研读他们高屋建瓴的学术思想和独特的研究视角仍然在给予我们现实的启迪。

 

主要参考文献：

1、        张桂忠  阿奇博尔德•希尔与有氧恢复热的发现. 自然杂志 2013,35（3）：217-221

2、         http://baike.baidu.com/view/6799132.htm?fr=aladdin

3、         http://baike.baidu.com/view/6798852.htm?fr=aladdin

4、         http://www.gmw.cn/content/2006-12/07/content_518329.htm

 

 

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