诺奖的思考

今天我们的主题是「诺奖的思考」。关于诺奖的起源、诺奖的意义还有获奖者的素质这类话题已经是老生常谈了。我们今天就举三个例子，来谈一谈诺贝尔奖得主的研究历程，以及他们的发现在医学上的作用，从而更深入地理解被授予诺奖的这些发现究竟对我们的生活有何影响。

罗伯特·科赫——细菌学之父

罗伯特·科赫 (Robert Koch, 1843-1910)

我要介绍的第一位科学家名叫罗伯特·科赫，德国人，获得了 1905 年诺贝尔生理学或医学奖。他获得诺贝尔奖的原因是发现了结核杆菌是结核病的病原体，但其实这只是他研究的冰山一角。他在细菌学方面做出了很多贡献，被尊称为细菌学之父。我们高中生物课做过的固体培养基、显微镜标本制作以及染色的方法，都是他发明或者改良的。

我们知道一般是先有需求，才有技术的革新，那么科赫改良细菌观测方法的需求是什么呢？科赫在研究炭疽时感到技术不够用，无法观察病原体生长过程中的变化：其一，细菌大多是透明的，无法辨认；其二，人工培养基的技术也很不成熟，不仅没有固体培养基，液体培养基的技术也很落后，甚至用牛奶当作培养基；其三，聚光的技术不发达，视野太暗，看不见。这就需要革新。他当时发现了一种新的培养基，这种培养基纯天然，是直接从动物身体上获得的。大家猜一猜，动物的哪个部分适合作培养基？

房水示意图。

是眼球的房水，也就是晶状体和角膜之间的透明液体。他把感染炭疽的兔子的角膜接种到未经感染的房水中，发现澄清的房水没过多久就变得非常浑浊。于是他发现房水是很好的培养细菌的媒介。在这个基础上，他把受到感染的组织放在一滴房水中，用玻璃片盖住，再用植物油密封好，控制好温度和湿度，就可以控制细菌的生长环境，达到他的观察目的。由于这样的方法改进，他才观察到了细菌繁殖过程中产生的孢子，揭示了孢子传染疾病的威力。

刚才我们提到了当时观察细菌的三个困难，科赫后来都一一克服了。首先他尝试了多种染料，看到了很多原来透明的细菌；其次他和显微镜制造者合作，第一次在显微镜中使用了油镜和聚光器。其中油镜是一种特殊的物镜，使用的时候要在玻片上滴上一滴香柏油，然后把物镜「戳」进去。由于香柏油的折射率（n=1.515）和玻璃（n=1.52）相仿，光线传播时穿过不同介质时的损失就比普通的镜片小很多（空气n=1.00029），因此放大倍数可以做得更大，而不用担心光线不足。针对第三点，科赫以及他的团队发现了明胶和琼脂制作固体培养基的方法，还发明了平板划线稀释菌落的方法。我们高中课本上的微生物实验基本上都源于他的探索。

讲了这么多，我们终于要来谈科赫研究结核病的故事了。在当时的欧洲，肺结核肆虐，每 7 个人死亡，就有一人是死于肺结核。当时人们知道肺结核是传染病，但普遍认为它本质上是遗传病，并不清楚它的发病机理。有了之前的技术做铺垫，科赫假设是一种细菌导致了结核病，这种细菌不能通过普通的染液染色。科赫尝试了当时刚刚合成的亚甲基蓝，发现了一些杆状的细菌。他发现保存时间较久的亚甲基蓝比新制的亚甲基蓝更有效，于是猜想，染液一定是吸收了空气中的一种成分，增加了染色的效率。是哪一种成分呢？他进一步猜想，是氨气将染液碱化，于是他向染液中加入氢氧化钾，希望达到类似的效果。果然，镜头下出现了无数的杆状细菌。

这是科赫用笔画出的细菌图案。

现在科赫相信，这些杆菌就是导致结核病的原因。但是「相信」还不够，还需要更确凿地证明。毕竟相关性不等于因果性，这些杆菌可能是结核病的原因，也可能是患了结核病的结果。为了解决这个问题，科赫提出了四条法则，作为确认微生物是病原体的标准：

1. 每一个病例中都有相同的微生物；
2. 要能够从宿主中分离培养出纯种；
3. 用纯种微生物来接种健康的易感宿主，同样疾病重复发生；
4. 从新发病的宿主中能够再次分离出这种微生物来。

我们可以看到，这是一个相对严谨的判断标准。这样的杆状细菌能否通过检验呢？第一条已经检验好了；第二条有点麻烦，因为这种细菌的体外繁殖环境要求很严苛。科赫多次尝试，发现只有在 37-38℃ 下，在凝结的血清中才能培养出这种细菌，而且长得奇慢，过了两周才出现菌落。为了精准地验证第三点，科赫进行了多达 217 次动物注射实验，实验动物全部产生了结核结节。第四点就不在话下。科赫这才最终确认，这种名叫结核杆菌的细菌，确实导致了结核病。

结核杆菌的发现彻底改变了人们对结核病的认识。据说在科赫发表报告结束时，全场先是鸦雀无声，然后响起热烈的掌声。这个发现在防疫方面也有指导性的作用。科赫指出结核病患者的痰液中有大量的结核杆菌，并且其传染力可以保持几周。这引起了公共健康部门的主意，从此不随地吐痰、咳嗽时捂住口鼻、定期消毒清洗才成为公众的习惯。

当时的卫生宣传海报

由于结核杆菌的发现，罗伯特·科赫于1905年被授予诺贝尔生理学或医学奖。

约瑟夫·默里——器官移植第一人

约瑟夫·默里 (Joseph Murray, 1919-2012)

刚才的科赫主要从发病机制进行研究，那么接下来的这位科学家就是直接研究实践了。这位科学家叫做约瑟夫·默里，美国人。他因为器官移植方面所做的贡献获得 1990 年诺贝尔生理学与医学奖。不过，他一直认为自己是整形外科医师，器官移植只是他闲暇时的爱好。他的朋友评价他是「唯一一个凭借爱好获得诺贝尔奖的人」。

不过据他所说，整形外科和器官移植的确有着很多联系。二战期间，默里应征入伍，被分派到宾夕法尼亚州的医院。当时战争伤员中有很多大面积烧伤的病人，必须通过异体皮肤移植，才能保住生命，然而异体皮肤移植会被机体当作异己，产生免疫排斥反应。不同人的情况不同，比如免疫系统受损的患者排斥反应的时间大大滞后；供体和受体的亲缘关系越近，排斥反应越弱。这些经验给他提供了很大的帮助。

在此之前，有过一些失败的器官移植案例。默里思考，如果是同卵双胞胎之间进行肾移植，那么就不会发生排斥反应，病人就能顺利存活。终于，1954 年有了一个极佳的验证机会。23 岁的双胞胎罗纳德和理查德·赫里克来到默里所在的医院，理查德患有肾炎，很快就要死亡，哥哥罗纳德希望把自己的一个肾移植给弟弟。当然，这里面有一些伦理问题，很多医生、公众和宗教人士都反对活体的器官移植。不管怎样，经过沟通，默里拿到了州法院的特别法令，批准了这台手术。最终双胞胎被推入手术室。手术非常成功，哥哥活到了79 岁，弟弟 8 年后因心血管病离世，临终前移植的肾脏仍在工作。

此后默里又做了二十余台同卵双胞胎间的肾移植手术。默里当然不满足于此，他希望克服免疫排斥反应，让器官移植造福更多人。1962年，默里进行了首次成功的死体肾移植。1959 年，默里用全身辐射和骨髓移植的方法减弱排斥反应，成功进行了异卵双胞胎之间的肾移植。不过这种方法只成功了一次，在之后的病患中都失败了。最后帮了大忙的还是免疫抑制剂。一些研究免疫抑制剂的学者与默里合作，终于在 1962 年成功进行了非亲属间的肾移植手术。3 年后，这种无亲缘关系的肾移植手术成功率就达到了 65%。

器官移植的接连成功改变了人们关于医学的认识，甚至包括对死亡的认识。过去人们认为，心脏停止跳动标志着死亡，现在人们意识到，即使心脏停止跳动也可以通过器官移植救活，「脑死亡」才是更好的判断死亡的标准。默里参与了世界上首个脑死亡判断标准的制定。我们看看这个标准：

1. 不可逆的深度昏迷；
2. 无自发呼吸；
3. 脑干反射消失；
4. 脑电活动消失（电静息）。

这个标准还有其他的好处。首先脑死亡是不可逆的，即使心脏仍在工作，只要脑干反射消失，心脏最终会停止跳动，所以采取这个标准可以减少无谓的救治。另外，在心脏仍在跳动时摘取器官进行移植，可以最大程度的保证器官的质量，提高移植成功率。如今我们的公众对脑死亡的认识仍然不足，经常有脑死亡患者的家属仍然要求上呼吸机，维持呼吸与心跳，制造「活着」的假象，这不但是对生命的不尊重，也是对资源的浪费。

2019 年诺贝尔奖的应用

2019 年诺贝尔生理学或医学奖得主

最后我们简单地说说今年诺贝尔生理学或医学奖。大家都知道了，今年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了关于细胞氧气适应机制的研究。非常非常简单地说，就是低氧的环境导致了某种调控基因的蛋白质（HIF-1）无法被降解，进而引发了一系列基因的表达，使细胞进入低氧状态。这个研究在医学上有什么作用呢？

首先是恶性肿瘤。我们知道肿瘤其实就是「一坨细胞」，内部没有血管，所以细胞处于缺氧状态，这不利于其进一步生长。但是，如果肿瘤细胞启动了低氧状态，就会长出血管，为自己提供更多氧气，这就可怕了。肿瘤长出血管，是它恶性化的一大标志。如果能够想办法降解掉肿瘤细胞中的 HIF-1 蛋白，就可以阻止其进入低氧状态，抑制肿瘤血管的生成，控制癌症的发展。其次，在进行外科手术，进行组织的移植时，一个重要的问题是让移植的组织中产生足够多的血管，维持氧气供应，使其成活。现在我们可以人为地抑制 HIF-1 的降解，从而使细胞人为进入低氧状态，增加血管的生成。此外，这些研究还为某些心脏病、贫血等的治疗提供了思路，现在相关的药物也已经上市了。

回顾与感想

好了，我的分享马上就要结束了。回顾一下这次分享的主要内容：我们讲了 1905 年诺贝尔奖得主罗伯特·科赫如何改进技术、发现结核杆菌以及提出判断病原体的科赫法则。然后我们介绍了 1990 年诺贝尔奖得主约瑟夫·默里一步步突破免疫排斥反应，发展器官移植技术，顺带介绍了「脑死亡」的概念。最后我们简单介绍了今年获得诺贝尔奖的研究在医学上的应用。

最后我再谈一谈我自己的体会。首先，我们要尊重和感谢以诺奖得主为代表的科学工作者们。我们生活中习以为常的事情很多都源自他们开拓性的创举。其次，我们可以看到科学的不断发展。从我准备的内容就能看到，生物学的研究范畴从个体、细胞到了蛋白质、DNA，而且过去的知识在不断被推翻。比如之前判断病原体的科赫法则就被指出有很多漏洞，得到了后人的完善。这是无数科学家研究成果的累积。最后，我们应该知道现代医学奠基在严谨的科学探究之上，明白这一点可以让我们少受很多忽悠。

我的分享到此结束，可能有点跑题，但希望大家能有所收获。谢谢大家！

参考文献
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