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拿自己做抗老化實驗 │ 科學史上的今天:06/29

張瑞棋_96
・2015/06/29 ・979字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

1991 年 9 月,四男四女進入美國亞利桑那州的「生物圈二號」,試驗在與外隔絕的環境中能否自給自足地生活下去,作為未來移民太空的參考。他們的年紀都在三、四十歲上下,唯獨一位已經 67 歲,那就是今天生日的華福德醫生(Roy Walford, 1924-2004)。他不只年紀與眾不同,當生物圈二號內的農作物產量不如預期,必須減少食物配給時,也唯獨他反而暗自欣喜,因為難得有此機會可以讓他做抗老化的人體實驗。

限制熱量攝取可以抗老化的說法自古即有,而最早做生物實驗加以驗證的首推康乃爾大學的麥凱教授(Clive McCay),他於 1934 年將大鼠分成兩組,一組嚴格限制其食量,另一組的飲食完全不受限制,結果前者的平均壽命比後者多了 50%。華福德自六○年代開始進行熱量限制與抗老化的實驗,不但再次證實減少熱量攝取的老鼠活得比較久,而且也活得比較健康,較晚出現心血管等老化的疾病。

華福德雖然不是第一位做此研究的人,卻是其中最狂熱的鼓吹者。他自己還身體力行,嚴格限制飲食,自五十歲起,每天攝取的熱量只有一千六百大卡,比正常人的兩千五百大卡少了三分之一以上。因此,在生物圈二號內,他就力勸組員無須擔心糧食不足,說服他們這才是健康之道。經過六個月每日 1,780 大卡的飲食後,每位組員都瘦了 7、8 公斤,但華德福發現他們各項身體指數卻顯示更健康了。不過大家還是受不了飢餓感,在糧食無虞後即恢復正常飲食。

生物圈二號那六個月的實驗畢竟不足以證明人類減少攝取熱量是否真能延遲老化,而華福德與後來其他科學家所做的生物實驗並不代表對人體也有效;目前最接近人類的動物實驗就是恆河獼猴的實驗。美國國家老化研究院與威斯康辛國家靈長類研究中心這兩家機構,分別自 1987 年與 1989 年開始進行大規模的長期實驗,結果獲致不同的結論:後者宣稱熱量限制可以延長獼猴 50% 的壽命,但前者並未發現平均壽命有顯著差異。

這兩家機構的實驗結果之所以不同,或許在於後者的對照組獼猴可以大吃大喝,不受限制,但前者的對照組卻是給予定量的健康飲食。因此,與其大幅減少飲食,忍受飢餓感,或許還不如吃得健康比較實際。華福德本人也未因厲行熱量限制而延長壽命,他因為罹患漸凍人症而於 2004 年過世,享壽八十歲。

 

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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霍普金斯與維他命 │ 科學史上的今天:06/20
張瑞棋_96
・2015/06/20 ・943字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

維他命是人體維持健康不可或缺的營養素,這已是現代社會人人皆有的基本常識。也因為這個常識如此深植人心、如此理所當然,很多人可能會以為科學家很早以前就找出各種維他命了,其實不然。直到二十世紀初期,各種維他命才陸續被發現;這麼說吧,當愛因斯坦發表狹義相對論時,第一種維他命都還沒被發現哪!

其實人類歷史上更早之前就已發現富含某種維他命的食物與特定疾病間的關聯性,例如 1747 年,蘇格蘭醫生林德(James Lind)就建議食用檸檬以預防壞血病;唐朝醫學家孫思邈更是在撰於西元 652 年的《備急千金要方》中就提到用動物肝臟防治夜盲症。然而他們都只是以營養均衡的觀點看待,並未指向食物所含的特殊成分。一直要到 1861 年的今天出生的英國生物化學家霍普金斯(Frederick G. Hopkins, 1861-1947),於二十世紀初,經由一連串的動物實驗才首度證明維他命的存在。

霍普金斯將當時所知維持生命必要的營養素提煉出來,包括蛋白質、碳水化合物、脂肪、礦物質和水,用以餵食動物後,發現動物仍無法健康生長。他因此於 1912 年發表論文,主張除了上述營養素之外,必定還存在著未知的營養素,是維持生命所必需的。因為此一研究,才無懈可擊地證實了維他命的存在,霍普金斯因此與荷蘭病理學家艾克曼(Christiaan Eijkman)兩人共享 1929 年的諾貝爾生理或醫學獎。

艾克曼早在 1897 年就率先用白米與糙米分別餵食不同雞隻,證明糙米具有白米缺乏的成分,可以預防腳氣病。雖然艾克曼並未提出維他命的概念,但基於他是以科學方法研究維他命的先驅,所以給予諾貝爾獎的肯定。至於糙米所含之預防腳氣病的成分,直到 1912 年才由波蘭生物化學家芬克(Kazimierz Funk)分離出來,就是維他命B1,這正是第一個被發現的維他命。而維他命這個名詞也是此時由芬克所創。

維他命 A、C、D、E 於隨後十年內被陸續發現,1941 年之前又接著發現維他命 K 與 B群。如今市面上各種維他命藥丸琳瑯滿目,許多人也當成每日必服的營養補充品。其實維他命存在於我們日常生活就可接觸到的食物中,只要飲食均衡,就已攝取到足夠的維他命,不分青紅皂白地囫圇吞棗,反而過猶不及啊!

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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第一次看見大腦神經元:高爾基誕辰 │ 科學史上的今天:07/07
張瑞棋_96
・2015/07/07 ・1009字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

自從虎克於 1665 年看見顯微鏡底下的軟木塞有一個個小格子,並將之命名為細胞後,科學家們繼續用倍率更高的顯微鏡探索各種動植物的細部構造,果然也一一發現了細胞。人體也不例外,無論是血液、皮膚、肌肉,乃至各個器官,都可見到細胞構造,但唯獨大腦例外。

雖然當時已經知道身體各部位的神經最後都通往大腦,但大腦切片在顯微鏡下只呈現出灰白色的均勻物質,即使用各種染色法也看不出是否有任何神經細胞。這個不解之謎直到 1873 年才被義大利醫生高爾基(Camillo Golgi, 1843-1926)破解。

高爾基只是一位住院醫生,閒暇時喜歡在醫院一間由廚房改造的實驗室裡做研究。有一次他將腦塊浸在硝酸銀溶液中好幾天後,拿出來用顯微鏡觀察,結果出現了複雜的網狀圖案,點綴著黑色的斑點。這是人類史上第一次看見大腦的神經網路與神經元細胞,而這多少有點幸運的成分,因為這個「黑色反應法」有個至今仍不明所以的神祕機制,每次只會隨機地對 1%~10% 的神經元染色。所幸如此,才能看得清楚,否則大腦一千億個神經元細胞如果都被染成黑色,那麼錯綜複雜、層層相疊的神經網路看起來只是一團黑,根本無法分辨。

不過高爾基本身是「網狀理論」的信徒,相信心智是大腦整體網路共同運作的結果,並非當時主流的「功能區域論」所主張的大腦不同部位掌管不同功能。因此高爾基並未深入鑽研神經元的構造,反倒是幾年後,主張功能區域論的西班牙神經學家卡哈爾(Santiago Ramon y Cajal)改良了高爾基的黑色反應法,將小雞等小型動物的腦部組織染色,再用細膩的筆觸一一畫出顯微鏡下腦部的神經元構造與神經網路,並推論出神經訊號的電脈衝從神經細胞本體經由軸突傳給下一個神經元的樹突,因而奠定了神經元學說。

高爾基於 1897 年用黑色反應法在細胞內找到一個之前從未被發現的胞器,負責包裹、運送細胞製造的蛋白質與脂質。這個胞器就稱為「高爾基體」,成為唯一以發現者姓氏命名的胞器。

不過令他得獎的還是他所發明的黑色反應法。1906 年,他與卡哈爾共同獲頒諾貝爾生理或醫學獎,以表揚他們在神經系統研究上的貢獻。這是第一次將同一個諾貝爾獎項頒給兩人以上,更特別的是,兩人的主張完全相反。事實上,目前對於大腦的研究也的確顯示兩種理論都各有千秋,大腦的奧秘仍有待發掘呢。

 

 

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麥克林托克誕辰 │ 科學史上的今天:6/16
張瑞棋_96
・2015/06/16 ・1044字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 596 ・九年級

Photo Credit: Smithsonian Institution

1983 年,美國遺傳學家芭芭拉 · 麥克林托克(Barbara McClintock, 1902-1992)因發現基因轉位,而獲頒諾貝爾生理與醫學獎,距離她此項發現已過三十二年。此一遲來的榮耀,恰恰反映出她的一生寫照:一位踽踽獨行、遠遠走在時代前面的遺傳學先知。

其實麥克林托克向來特立獨行,也早已習慣於對抗外來的壓力:母親盼她如美國二○年代的一般女性,當家庭主婦相夫教子,但她仍堅持念大學,走上學術之路;她上大學後馬上擺脫傳統女性穿著,剪短髮、穿長褲,無懼周遭投以異樣眼光;取得博士後,因當時的性別歧視而無法在一般大學取得教職,她只能接受研究助理的職位,以求持續她的玉米基因研究工作。也難怪她將來面對整個學界的嘲諷,仍能「雖千萬人吾往矣!」

一九二○年代對於遺傳物質的了解仍相當有限,麥克林托克因為對玉米的基因重組、減數分裂做出一連串先驅性的研究,而在三○年代被公認為基因與染色體方面的遺傳學大師。但當她在 1951 年根據多年來的實驗結果,宣稱基因會從染色體的原本位置「跳躍」到另一處時,卻被視為異端邪說。因為當時普遍相信基因有固定不變的排列順序,而且基因只會單向的下達如何製造蛋白質的指令,絕不可能如麥克林托克所主張的:細胞還會回頭給予基因轉換位置的指令。

麥克林托克從此被科學界冷落、忽視。對比與她同在冷泉港實驗室的華生與克里克於 1962 年獲得諾貝爾獎後,獲得的關愛與簇擁,麥克林托克的實驗室成了名符其實的冷宮。而 DNA雙螺旋結構破解後,更是將整個遺傳學導向分子生物學,大家拼命往更底層挖掘遺傳密碼,麥克林托克卻兀自往更高的層次研究適應、調控的動態機制。她的學說原本就複雜晦澀,如今更顯得不合時宜,直到二、三十年後,科學家陸續發現愈來愈多的例外情況無法解釋,才開始相信麥克林托克的轉位因子確實普遍存在。她終於在 1983 年獲得應有的肯定,成為史上唯一獨自獲得諾貝爾生理與醫學獎的女性。

如今我們已經知道即使繪製出基因圖譜,仍然無法了解生命的奧秘。麥克林托克先知般的預言不只是轉位因子的存在,更在於提醒我們應該從生命的整體性與環境的影響來理解基因。

 

 

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