百年医话谈维C2

本期摘要：即使英国海军已经可以通过饮用柠檬汁完全防止坏血病的发生，然而受限于各种干扰因素，人类又多花费了一百多年才达成共识，认识到防治坏血病的营养因素来自于新鲜食物，而且是水溶性的，并将其命名为维生素C。即使知道了维生素C可以防治坏血病，然而采取科学手段纯化分离这种物质，并确定它的生物疗效，仍然需要几十年的传承性科学研究和科学大师的杰出贡献。世界看到了光，这是科学努力的结果，而不是来自空中的某个意志和某只手。本文共字，写作用时：10小时，建议阅读时间：10分钟。耗时百年终成共识想必大家都听说过，中国国宝级科学家钱学森被美国高级军官赞扬为值五个师。那么，在上期介绍过的林德医生，他完成的败血病研究全面提高了处于上升期的不列颠帝国海军的战斗力，为其在全球范围内崛起称霸立下功勋，他又该值多少军队呢？这里补充一个上期遗漏的信息：林德医生的研究首先说服了两位同行，让他们也认识到新鲜水果、果汁和蔬菜可以治疗坏血病。而正是在军方“伤残病人委员会”（SickandHurtBoard）任职的这两位同行，在为皇家萨福克号获得许可携带充足的柠檬汁远航的过程之中，扮演了至关重要的作用。要知道，当时没有电气化，没有冰箱，而且柠檬汁也非常昂贵，新鲜水果和蔬菜则更加难以在远洋船上长期保存，这些因素都给军方强制执行让海员喝果汁带来不小的困难。尽管这样，5年以后的年，当新世纪来临时，英国海军全军已经完全落实了用果汁防治坏血病的政策。根据史料记载，处于上升期的英国海军在称霸全球海洋之前，已经通过制式化的管理方式，为提供海军能够长期保存的腌制食品。这些食品主要包括三样，“硬饼干、咸牛肉和干豌豆”，虽然能够提供充足的蛋白质，显然都缺乏维生素C。制式化是军队保持持续战斗力的有效措施，也是中国战国时期秦国能够以一胜六的碾压性优势的重要因素。在制式化框架下纳入维生素C的补充，不仅有助于英国海军提高船员健康和战斗力，也是保证他们最早发展出近距离混战战术，通过拥有强健体魄的士兵的搏杀能力和快速挪动舰炮的灵活性，战胜其他海上列强的重要因素。然而，人类找到防治坏血病的有效成分却还要再等待一百多年。为什么呢？并非只有新鲜水果和蔬菜才能治疗坏血病，一些进行过极地探险的人发现，吃生肉也可以。比如生活在北极圈不毛之地的爱斯基摩人，吃不到水果蔬菜，却因为生食动物肉，而避免了坏血病发生。这就给科学家研判方向，建立正确的研究体系带来了困扰。即使是柠檬汁，如果制备不得法，比如使用了铜器加热和露天储存时间太长，都会让果汁失去疗效。当时的人们不知道这些变化，然而果汁时而有效，时而又没有效，这使得他们非常困惑。根据后来分别在英国和美国进行的研究，即使给正常人天天喂食缺乏维生素C的食物，要让身体储存的维生素C消耗殆尽而出现坏血病症状，至少需要2到4个月时间。随着航海业的技术升级，比如帆船变成蒸汽船，大大缩短了航海行程，使得船员即使服食不健康的饮食，也较少在短期之内出现坏血病症状。这进一步增加了科学家建立因果性科学理论的难度。所有这些因素都困惑了当时的医学界，一时间众说纷纭。随着路易·巴斯德（LouisPasteur）和罗伯特·科赫（RobertKoch）发现细菌并提出“疾病细菌学说”（Germtheoryofdisease），一个新的致病理论成为主流：即坏血病是由罐头肉类滋生细菌而引起的。可是，新状况又出现了：巴斯德给世人发明了“巴斯德灭菌法”，实质上是一种在72摄氏度持续15秒或者摄氏度持续4秒的快速加热方法，用于防止牛奶里滋生致病细菌，延长保质期，并保留牛奶的风味。这种食物消毒方法一直沿用至今，可以参见沛川写作的“牛奶”系列之中的相关介绍。一时间，当时都市上层阶级纷纷购买经由“巴斯德灭菌法”消毒处理过的牛奶，并用来喂养婴儿。这下坏事了，因为不少婴儿出现了坏血病症状。可是“巴氏消毒法”明明杀死了细菌啊，为什么婴儿还会出现坏血病？那只有一个可能，理论错了，不是细菌引起坏血病，而是因为营养不良（现在我们知道，在高温之下，牛奶中的维生素C会受到氧化而被破坏）。营养不良怎么治？简单，补充回来就是了。事实上，当时的解决办法是给婴儿喂洋葱汁（这个味道是否适合婴儿值得商榷）。终于，经过一百年的折腾，人类终于又达成了一个共识：坏血病是营养缺乏症。另外，人们还发明了一个词，把可以防治坏血病的食物属性叫做antiscorbutic，意思是可以反抗（anti）坏血病（scorbutic），而几乎所有的新鲜蔬菜水果和没有煮过的肉都具有这个属性。百年花开终成正果意外建成的实验体系翻过年的日历，20世纪到来了。科学家们通过建立生物疾病模型，结合化学技术的发展，开始鉴定排查对人体健康至关重要的营养物质。这些研究直接催生了一类重要营养物质的大发现，这就是各种维生素。在现在公认的13种维生素中，治疗坏血病的维生素C并非是最早被发现的，这源于一个有趣的巧合。要使用科学方法鉴定一个对人类健康非常重要的营养物质，比如可以治疗坏血病的营养物质，需要什么条件呢？当然，不能一开始就在人身体上直接做实验，这违背科学道德和社会伦理，是道德沦丧，连畜生都不如的人才会干的事情。首先，我们需要建立一个疾病的动物模型，在这种实验动物身上可以完全或者至少大部分重现人类疾病。在这样的基础上，科学家才能抽丝拨茧，驭繁从简，反复测试（理论和药物），并且鉴定出目标。那么，最常用的实验动物是什么？现在的主流当然是大鼠（rat）和小鼠（mouse）。如果当时有人想用这两种动物做坏血病的研究，那么很对不起，他肯定会失败。因为这两种鼠类都可以自行合成维生素C，它们并不需要从饮食中补充维生素C。其实不止两种鼠类，生物界几乎所有动物都可以自行合成维生素C；例外的除了人类和一些人类灵长目近亲，还有个别啮齿类、蝙蝠、鸟类和鱼类，而这些动物都不算常见的研究模型。幸运的是，当时的生物学家不忌荤腥，随手抓取模型动物，选择面还算宽广，竟然歪打正着地发现了一个系统。事情的经过是这样的：在年，两位挪威医生霍尔斯特（AxelHolst）和弗洛里希（TheodorFr?lich）在研究脚气病（beriberi，一种由维生素B1缺乏引起的疾病）。当时研究脚气病的主流模型动物是鸽子（想象一下患有脚气病的鸽子），出于某种原因，两人不喜欢用鸽子做实验。于是他们试图换一种动物，并想到了一种憨态可掬而又机灵可爱的小动物：豚鼠（guineapig）。首先，为了观察豚鼠是否也能患上脚气病，他们给豚鼠喂食了可以让鸽子患上脚气病的同类食物。几天过去，豚鼠并没有患上脚气病。令他们惊讶的是，豚鼠竟然患上了坏血病。要知道，所有啮齿类动物里面只有豚鼠和水豚（capybara）这两种不能自行合成维生素C；之前给鸽子喂食同样的食物却没有出现坏血病，是因为鸽子可以自行合成维生素C。“冥冥之中，自有天定”。不管如何，“失之东隅，收之桑榆”，研究坏血病的动物疾病模型总算是误打误撞之下被找到了。两位医生的发现也被称为是维生素C发现史中最重大的进展。接下来似乎很顺利了：科学家只需要从有效食物出发，不断分离有效物质作为添加剂来喂食豚鼠，就可以顺藤摸瓜，找到可以治疗坏血病的化学成分。事实上，霍尔斯特和弗洛里希就是这么做的，他们迅速尝试给患上坏血病的豚鼠喂食各种新鲜水果，结果这样的确可以治疗坏血病。然后，他们只需要逐步分离水果中的不同化学成分，并使用豚鼠模型来测试，就可以瓮中捉鳖，找到抗坏血因子。然后？就没有然后了。这是因为，维生素C是一种非常像葡萄糖的糖醛酸，它的化学性质与其它有机糖和有机酸非常相近；因此以当时的化学技术水平，几乎无法在水果里面纯化出来。因此，尽管当时已知这种有效成分是水溶性物质，并且以刚建立的维生素（vitamin）概念系统将其命名为“水溶性C”（water-solubleC），但是就差那一层窗户纸没有被捅破。世无英雄，二十年弹指须臾过。命定的发现在这二十年间，那个命定的英雄先是因为第一次世界大战而被迫中断学业，随后在战争中自残而获得复员的机会，从而能够继续完成医学博士（MD）学位，并在同年新婚燕尔抱得佳人归。这位科学家就是出生自奥匈帝国匈牙利王国布达佩斯的科学大师阿尔伯特·圣捷尔吉（AlbertSzent-Gy?rgyi）。一战结束以后，圣捷尔吉来到了荷兰的格罗宁根大学，开始研究细胞呼吸作用的化学机理。当时，另一位科学大师奥托·瓦尔堡（OttoWarburg），在父辈好友爱因斯坦的影响和启迪下，将物理和化学原理和技术用于研究生物，开创了研究细胞呼吸和代谢研究的科学系统，使得研究生物如何产生能量这一基本科学课题成为学界热点。圣捷尔吉选择这个领域，站在了时代的前列。在格罗宁根获得的研究经验为他赢得了一个由美国洛克菲勒基金会赞助的在剑桥大学深造的奖学金机会。注：在此几年前的年，洛克菲勒基金会刚刚赞助成立了中国的协和医学院，到今年协和已经百岁华诞了。祝贺协和，百年辉煌。在剑桥的研究生日子里，圣捷尔吉在梅奥基金会（MayoFoundation,是梅奥诊所MayoClinics的前身）展开工作，并且从牛肾上腺组织里分离纯化出一种化学物质结晶，他将其命名为己糖醛酸（hexuronicacid），并以此工作从剑桥大学菲茨威廉学院获得理学博士（Ph.D.），时为年。尽管圣捷尔吉当时观测到己糖醛酸具有快速还原金属银离子的能力，并在空气中快速被氧化而失效，已经开始怀疑己糖醛酸就是抗坏血病的营养成分，但是限于没有合适的生物疾病模型，无法测试其生物疗效。圣捷尔吉在年5月28日出版的“自然”（NATURE）杂志的第页发表了研究通讯性质的文章，简要通报了他自己从牛肾上腺皮质组织里纯化结晶到一种新型的抗氧化剂，命名为Cxii，是他此前从肾上腺纯化出来的一系列与氧化有关的化学物质之中的第十二种。圣捷尔吉于年在“生物化学杂志”（BiochemicalJournal）上发表详细的己糖醛酸（维生素C）的纯化结晶研究。图示为硝酸银处理的牛肾上腺横切样品。因为维生素C作为抗氧化剂可以还原硝酸银中的银离子，产物金属银析出而形成黑色沉淀，因此富含维生素C的肾上腺皮质（外层）被染色成一圈黑色，髓质颜色则很浅。据文中记载，肝脏和大脑也同样含量很少。圣捷尔吉通过不同溶剂系统结晶出来的己糖醛酸（维生素C）。不同实验条件下获得的晶体形状是不同的。三年后，圣捷尔吉回到被战争撕裂的祖国，在匈牙利的赛格德大学（UniversityofSzeged）任职。在这里，他接受了一位来自美国匹兹堡大学的访问交换学者，约瑟夫·斯沃贝利（JosephSvirbely）。斯沃贝利此前在匹兹堡大学的营养学大师查尔斯·金（CharlesGlenKing）的实验室做研究。此前，金的研究团队一直在寻找抗坏血病因子，并考虑过测试圣捷尔吉纯化的己糖醛酸。然而，他们轻信了一位叫Zilva的同事，公开否定了这个可能，与伟大的发现失之交臂。斯沃贝利的生物实验手段正是圣捷尔吉需要的，于是两人一拍即合。年，圣捷尔吉把自己纯化并留存的最后一点己糖醛酸交给了斯沃贝利去测试，看看它到底是不是抗坏血病的有效成分。年，两人在《生物化学杂志》（BiochemicalJournal）发表了论文，正式证明圣捷尔吉之前纯化的己糖醛酸就是大家找寻了多年之久的抗坏血病的营养因子维生素C，全文一共只有6页。这时，圣捷尔吉的注意力已经转移到如何获得大量的维生素C上面。此前，他使用的肾上腺组织虽然含有极高浓度的维生素C（可以高达每公斤1.7克），但是来源受限。柑桔虽然富含维生素C（一公斤约0.5克），但是受到许多其它糖分类似物的干扰，不容易分离纯化。也许是由于在国外漂流多年，圣捷尔吉特别喜欢家乡的食物味道。一种匈牙利常用的蔬菜和调料吸引了他的注意力，这就是红辣椒和红辣椒粉（paprika，匈牙利的传统辣椒粉是带有甜味的）。他想，红椒粉也许是纯化维生素C的好原料。一试之下，果不其然，甜红椒里含有大量的维生素C（一公斤约1.9克），并且没有其它糖分类似物的干扰。在原料供应充足的情况下，圣捷尔吉迅速获得了大量的维生素C，并送到知名英国糖化学家沃尔特·霍沃斯（WalterNormanHaworth）的实验室进行更严格的化学鉴定。霍沃斯幸不辱君命，不但用化学手段确认了圣捷尔吉纯化的维生素C就是己糖醛酸，还在年使用化学合成方法完全人工合成了维生素C，无可辩驳地给圣捷尔吉的发现加上完美的句号。这也是人类第一次自主合成维生素的记录。随后，两人提议将维生素C的化学名称定为“ascorbicacid”，英文词根为抗坏血病的酸性物质，这就是沿用至今的维生素C的另外一个名称：“抗坏血酸”。善于跟风的诺贝尔奖快速做出了反应，它不但给维生素C的发现颁发了诺贝尔奖，还空前绝后地在一年里发了两个不同的奖：圣捷尔吉独自获得了的诺贝尔医学或生理奖，霍沃斯则因为证明和合成了维生素C，与另外一位研究维生素的化学家保罗·卡勒（PaulKarrer）分享了年的诺贝尔化学奖。实至名归！叛逆的大师值得一提的是，圣捷尔吉的科学贡献不止发现了维生素C。实际上，我们今天所知的细胞代谢中糖类燃烧释放能量的化学过程，即克莱布斯循环（KrebsCycle，也称三羧酸循环TCA，或者柠檬酸循环CCC），其中主要的几种成分也都是圣捷尔吉最早鉴定的。圣捷尔吉也是最早意识到氧化自由基（freeradical）是致癌因素的科学家，他认为癌症的分子机理本质是电子使用（即氧化还原反应）发生了故障。这个观点在近来被后辈詹姆斯·沃森（JamesWatson,DNA双链螺旋结构的共同发现者之一）采纳，成为沃森主张的代谢干预抗癌的可行方式之一。圣捷尔吉天性厌战，在获得诺贝尔奖之后，他把奖金全部捐给了芬兰 ，帮助他们抵抗苏联的侵略。在科学上，他认识到重大的科学发现一定是和当前知识有所不同的新知识，因此把科学家分成两个种类：“阿波罗型学者”（Apollonian，来源于希腊神话中的太阳和真理之神阿波罗（Apollo），即理性有度，喜欢按部就班的科学家类型）和“酒神型学者”（Dionysian，来源于希腊神话中的酒神狄俄尼索斯（Dionysus），即才思奔放，不受领域约束的科学家类型）。这个概念的原型来自于德国哲学家尼采。圣捷尔吉把常常处于探索人类认知边缘的科学异见者称为“酒神型学者”，并写道，“在科学研究中，‘阿波罗型学者’趋向于把已有理论发展成完美理论，而‘酒神型学者’则依靠直觉行动，因此更有可能打开未知领域”。他在晚年还说，“人类的未来依靠科学发展，科学发展依靠她所获得的资源支持。资源支持大部分源于研究经费，而当前研究经费的发放机制过度地偏向于‘阿波罗型学者’。”作为行动上的表态，他在晚年拒绝向政府部门递交申请研究经费的申请。后来在圣捷尔吉和霍沃斯的伟大发现之后，维生素C的人工合成方法被一位瑞士化学家塔德乌什·赖希施泰因（TadeuszReichstein）迅速工业化。赖希施泰因也是年诺贝尔医学或生理奖获得者。经过他的独立优化，特别是通过结合化学手段和生物发酵，这个以“赖希施泰因流程”命名的方法可以廉价生产维生素C，从而成为维生素C工业生产的主流工艺，并一直延续到今天。年，“赖希施泰因流程”的专利被一家专营各种营养保健品的公司购买，开始工业化批量生产，商品名为“Redoxon”，名字大概源于维生素C可以改变生物细胞“氧化还原”（redox）的能力。注：仅供展示。作者与相关产品和医药公司无任何利益关系。现在，这家瑞士公司依然存在，就是大名鼎鼎的医药巨人“Hoffmann–LaRoche”（总部在瑞士的罗氏）；Redoxon也依然在卖，中文名为“力度伸”，不过产权拥有者换成了另一个医药巨人“Bayer”（德国的拜耳）。既然只要食用新鲜食物就可以避免坏血病，为什么维生素C至今仍有市场？我们下期开始介绍。科学编辑：沛川执行编辑：杨明预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇