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作者簡介

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目次

書摘/試閱

有些重大的科學發現是「歪打正著的意外」?!

然而,獨具慧眼的人才能從「意外」窺見新發現的契機。

透過這本書讓您重新定義「意外」的價值。

 

機運青睞有準備的心靈。

——路易.巴斯德

科學發展並非都是循規蹈矩的過程,事實上很多突破性的發現,都來自於「歪打正著的意外發現」。關於這些「意外」,當然可以歸因於幸運女神心血來潮的青睞,但也不能忘記一點:這樣的青睞也必須仰賴有緣人事前的充足準備,才能從中發現隱藏的驚喜。

 

您可知道,世界上第一顆電池的誕生,可是為了反駁其他人的理論才製造出來的?結果這顆電池不僅成功推翻了原先的理論,更開啟了後續電與磁領域的研究!您可知道,醫學上常用的X光的發現,竟然還得歸因於發現者侖琴患有色盲!?這項發現可以說是推動了醫學邁進一大步。您喜歡看八點檔連續劇嗎?那潑辣、灑狗血的劇情總是讓我們愛不釋手,那您一定會喜歡胰島素的故事!這可是一段曲折離奇的歷史,過程中的峰迴路轉、高潮迭起,絕對堪比八點檔連續劇,您絕對不容錯過!

 

本書收錄臺灣大學科學教育發展中心「探索基礎科學講座」的演講內容,先從歷史、哲學及社會學的角度切入,爬梳「意外發現」在科學中的角色;接著回顧電磁學四個有名的實驗;再依循光科學與照相技術,介紹X射線及放射線一連串偶然的發現;並一同探索物理奇才費米在科學史上驚奇連連的歷史軌跡;而高分子的發展過程中,導電高分子的幸運發現,開展了有機太陽能電池與生物感測器等的研究新方向;沙利竇邁分子和盤尼西林,意外引發人們擔憂的美麗與哀愁;胰島素的問世,奠定了整個醫學史的里程碑。

 

透過介紹這些經典的幸運發現,我們可以認知到,科學史上層出不窮的「未知意外」,不僅為科學研究帶來革命與創新,也帶給社會長足進步與變化。

臺大科學教育發展中心探索基礎科學系列講座

自1825年起,英國王家科學院舉辦了「王家科學耶誕講座」,以富有教育性、趣味性的方式,將科學知識介紹給社會大眾,提升英國學子、民眾的科學素養。無數的學者曾在此講座中講授科學知識,而除了在第二次世界大戰時曾暫停舉行外,這一具有古老傳統的科普講座,至今仍持續不斷。
 

臺灣大學科學教育發展中心自2009年起,師法「王家科學耶誕講座」,舉辦「探索基礎科學講座」,借重學養與教學俱佳的科學大師們開講,與有志探索科學世界的朋友們共聚一堂。講座的主題與基礎科學知識緊密相連,每期輪流就數學、物理、化學、生命科學、地球科學各學門開闢講題,講師們仔細清楚的解說科學原理,許多非科學背景的聽眾們,也能迅速的進入科學世界,體會探索知識的樂趣。 

本期講者:楊振邦 (加拿大多倫多大學科技史與科學哲學研究所副教授)、高崇文 (中原大學物理系暨研究所教授)、蔣正偉 (臺灣大學物理學系教授)、鄭原忠 (臺灣大學化學系教授)、陳俊太 (交通大學應用化學系教授兼副學務長)、周成功 (陽明大學生命科學系暨基因體科學研究所兼任教授)、王道還 (人類生物學者)、嚴宏洋 (國立海洋生物博物館特聘講座教授)。

朱慶琪  中央大學科學教育中心主任

邱美虹  臺灣師範大學化學系教授

胡維平     中正大學科學教育中心主任

孫維新  臺灣大學物理系及天文所教授

曾耀寰  中央研究院天文所研究副技師

——聯合推薦(依姓氏筆畫排序)

 

  

「歪打正著的科學」一書中作者以具親和力的敘事方式描述出常態學下意外出現的數據與發現,有時會成為孔恩所謂的科學典範轉移的轉捩點-由常態科學到危機,再產生新的常態科學---既是危機也是轉機。該書中的科學故事可以鼓勵學生勇於以嶄新的視野來看待新證據,並發揮想像重新詮釋所觀察到的科學現象,此書非常值得推薦給具有好奇心的閱讀人。

——臺灣師範大學化學系教授   邱美虹

一般大眾對於科學研究的想像是非常有計畫,有規律、按部就班的探索,教科書上所列出的科學進展也總依照時間順序與邏輯層次所整理出來的知識。事實上,科學史上重大的發展卻經常是充滿著意外、巧合、絕望、峰迴路轉、柳暗花明的複雜過程,這對於歷史上最偉大的科學家亦是如此。感謝台大科學教育發展中心與三民書局用心出版這本很特別的科普書,忠實的呈現近代許多科學發現的曲折過程以及時代背景。這本書中告訴我們最重要的訊息是,科學研究不免需要機運,但幸運女神只會眷顧那些準備好的人;科學家也是人,有七情六慾,有人生起伏,也常會犯錯。為尋求宇宙真理,科學家要有毅力、要能合作、更要學會謙卑。 

——中正大學科學教育中心主任        胡維平

 推薦序

歪打正著的科學意外

生活中有不少現象具有規則性,例如:旭日東昇、夕陽西下,陰晴圓缺、潮起潮落,或是隨著春、夏、秋、冬的四季更迭所帶來的萬物孳息等,藉由推斷其規則性,我們便能預期各種現象的發生而事先做準備,如此一來就能安心的面對這些變化。我們會有心安的感覺,是因為期望生活中沒有「意外」性的「災難」發生;然而,「意外」這個詞其實並不一定直接等於「災難」,事實上在很多時候,我們反而需要「意外」來突破困境。我們常用的詞語中有所謂「意外的驚喜」,這代表著有時預期之外的結果反而是件好事,只不過這種情況發生的機率並不高罷了。

在本書中介紹的這些「科學意外」,都是科學家們在實驗結果中出現了現有理論無法解釋的現象,為了解釋這樣的結果,於是開始突發奇想,並在最終突破了原本理論框架的束縛,將研究帶向另一個境界。這樣的「科學意外」如果是出自一般人的疏忽,還不至於令人非常吃驚,但若是源自於科學家實驗操作的失誤,那就十分曲折離奇了,因為科學家都是訓練有素的專家,在實驗操作中他們是不應該出錯的。如果說,這樣的操作失誤是一個意外,那麼,從這個意外導致了更大的意外發生,那就是「歪打正著」了!

若想瞭解整個科學史脈絡,我們不能僅止於瞭解意外發現的那一個點,而是應該針對這個意外的「前因」與「後果」這條線進行綜觀的分析。這邊我想先談談「後果」這個部分。科學發現的後續影響是離不開「競爭」和「人性」這兩點的,原因也相當簡單,因為兩者都是人類的本質之一。科學家並非聖賢,而是平凡的人!只要是人就無法逃離身處年代的社會與經濟的條件限制。這裡我選擇以第八章―嚴宏洋教授撰寫的〈胰島素發現的八點檔連續劇〉來闡述這個觀點。會挑選這個章節有兩方面考量,一方面是因為糖尿病在現代的社會已經是一種「流行病」;另一方面是嚴教授將胰島素的發現過程稱為連續劇,想必其內容一定相當曲折離奇、高潮迭起,特別讓人想一探究竟當時到底發生了什麼事!

在胰島素的發現過程中,發生了一件足以改變時代背景的大事:從十九世紀末到二十世紀初期,各領域的專家(包括醫生和生物學家)均逐漸對胰島素展開了研究。除了臨床的觀察之外,也開始使用活體動物來進行試驗,特別是用狗來進行胰臟組織與糖尿和高血糖現象的試驗分析,這樣的新試驗方向似乎使得研究有了突破,當時的成果已經近乎找到了糖尿病和胰島素的關聯性。然而好景不常,隨著第一次世界大戰(1914~1918) 爆發,除了許多年輕人都被徵召入伍、投入戰場不說,連後方的各項社會、科研活動也都紛紛中斷,而胰島素的研究當然也包含其中。事實上大戰帶來的影響,並未在「戰爭結束」宣告的那一刻隨即結束,它對社會、經濟、科技的影響是長遠的,尤其是這些被送上戰場的年輕人,在解甲返鄉後都面臨著適應上的困境。而此齣連續劇的主角,正是一位在這個時代背景下,畢業於加拿大醫學院,卻因為大戰而離開家鄉前往法國參戰的年輕人,他就是1923 年諾貝爾生理或醫學獎的兩位得主之一―班廷。

班廷是一位出身於鄉下的孩子,在戰爭結束回到加拿大後,他便嘗試開業行醫,然而卻苦於因沒有病人而難以維生,只能勉強地掙扎著生活下去。對一個醫學院的畢業生來說,這恐怕是人生中很大的一場意外!這樣的生活一直持續下去並不是辦法,於是他只好另謀出路。經過幾番波折,他成功轉入了多倫多大學開始進行血糖和胰臟分泌物的研究,也就是在這段時期,他邂逅了日後與他共享諾貝爾奬的麥克勞德。麥克勞德是來自英國的學者,當時已經是頗有成就的一名教授了,從兩者出身上的懸殊差異,就可以想見他們日後的衝突會有多麼嚴重了。雖然研究初期時還風平浪靜,但在研究有所進展、日益向成功邁進時,性格和利益所造成的衝突果不其然就愈發尖銳了。在我們討論科學進展於學術上的影響的同時,也別忘了科技是可以創造利益的。胰島素是治療糖尿病的特效藥,它所隱含的商機可是相當龐大呢!但令人意外的是,班廷在受到種種曲折因素的影響,特別是在「醫德」這一方面的考量下,居然只以一塊錢的金額就把專利賣給了多倫多大學!然而,儘管在利益上的爭奪已成定局,但是兩位諾貝爾獎得主在榮譽這方面所結下的樑子並沒有因此消失,日後兩者之間依然瀰漫著濃濃的煙硝味,這又讓我們再一次感到意外了吧!

科學的意外發現源自於靈光乍現的一場意外,但它所造成的影響是深遠的;誰也不會想到,這個「意外發現」會引發一連串令人「意外」的蝴蝶效應,在科學界掀起滔天巨浪,成為劃時代的里程碑。事實上,每一個科學意外所造成的後果,都有可能是另一個科學意外的前因。就如同書中第三章―〈親愛的,我看透你了―X 射線與放射性的偶然發現〉中,蔣正偉教授所舉的例子,照相底片成像方式的改變,竟成了日後X 光發現的關鍵拼圖!所以在談歪打正著的科學意外,絕對不可不提這些意外所產生的「後果」。

除了「後果」,科學意外發現的「前因」也是相當重要的。這個部分所著重的點是科學本質上的意外,也就是不符合理論預期的結果。這裡我選擇以第一章―楊振邦教授的〈未知的未知―關於科學研究中意外發現的幾個理論思考〉來嘗試解說一下。楊教授開宗明義就告訴我們:科學發現的過程是有步驟的,包括發想新主意與驗證此主意的有效性這兩階段。發想,就是所謂發現與提出假設的過程,我個人認為,這是一個觀察和歸納的階段;至於驗證,就是現在學生們參與研究時經常聽到的「假說測試」。在本章中楊教授也提到,十九世紀的英國數學家威廉• 惠威爾認為,在這個兩步驟之間還存在著一個步驟,就是要能清楚地表達出發想的內容。我個人認為,這的確是科學家絕對必需的一項技能,也就是要能夠進行有效溝通。透過溝通引起同儕的興趣並理解你的想法,方能廣徵意見並對發想的新主意進行驗證,而在驗證的過程中,該主意也會日漸穩固,變成新的科學知識和理論。

如果驗證過程中出現了意外的結果,也不需要氣餒,因為這或許就是突破的契機,如果能夠透過這個意外,發想出更完善的主意,並在反覆驗證中逐漸完善、成熟,那麼這個意外反而會創造出新的知識,促成科學的進展。也就是說,意外在科學上並不是災難或是失望,反而是受歡迎的!美國科學史學家暨哲學家孔恩在《科學革命的結構》一書中指出,科學進步過程中存有這樣的意外發現,才能突破典範或窠臼,提升科學知識!

本書一共分為八個章,除了上述的三章之外,還有其他五則歪打正著的科學意外故事。這些故事所涉及的領域和案例極為寬廣,其中有我們常聽到的,也有不常聽到的。每一章都是由非常會講故事的科學家撰寫或整理而成,除了將常聽到故事講述得更淋漓盡致外,那些不常聽到的故事也相當引人入勝。不論這些故事你有沒有聽過,相信這本書都能帶給你無比的啟發。

 

這本歪打正著的科學意外,講述的雖然是科學家們意外出錯、擺烏龍的黑歷史,但每則的結局卻都是以驚喜取代擺烏龍所帶來的懊惱與挫敗。在閱讀的過程中不僅可以替規律平淡的生活帶來樂趣,也能隨著內容的文字,一步步地瞭解科學進步的本質與科學研究的方式,是絕對值得一讀的好書,因為你將會獲得許多意科之外的驚奇喜悅!

臺大科學教育發展中心主任

于宏燦

 

意外的科學發現

科學史當中充滿了「意外」發現的故事。阿基米德在澡盆裡悟出浮力原理大概是最有名的一個。這個故事被後世傳頌不絕,因為它包括兩重對比。一方面是泡澡這一日常享受與重要科學原理的對比;另一方面是偉大的科學家居然會放浪形骸、裸奔街市。

牛頓見到蘋果從樹上掉落,因而悟出重力原理,也有同樣的對比。根據一位牛頓晚年才認識的友人所述,一天,牛頓在他家花園裡憶起將近六十年前的往事―那是1666年夏末,牛頓才二十三歲,他坐在自家果園中,正在沈思,……

重力的觀念來自一粒落下的蘋果。為什麼蘋果總是垂直落到地面上?他自忖。為什麼蘋果落地的位置不會偏左或偏右?蘋果也不會向上飛?理由是,是地球將蘋果從樹上拉下來,一定是這樣—有一種力,叫做重力,充斥於宇宙之中。(1752年出版)

這個故事與阿基米德的裸奔構成另一對比:牛頓太冷靜了。可能是因為這個故事是牛頓親自說的,而阿基米德的故事則是後人的追記。不過在傳述的過程中,後人還是為蘋果的故事踵事增華,添上戲劇性的細節:牛頓在蘋果樹下陷入沉思,被落下的蘋果「當頭棒喝」,因而覺悟重力原理云云。

到了十九世紀上半葉,意外的科學發現有了新的意義:用以說明「科學」這種求知事業的成功祕訣。第一位以考察科學史為方法界定「科學」的學者,是達爾文的老師―劍橋大學教授威廉•惠威爾。達爾文在《物種原始論》的書名頁中引用了兩位學者的話以壯聲勢,第一位就是惠威爾,可見他的學術地位。

1837年,惠威爾出版《歸納科學史》,指出重要的科學發現無不以「明確而深思熟慮的點子」為前提―我們比較熟悉的詞是「理論」。當時一位匿名書評者相當不以為然,並且直截了當指出:「科學史上許多重大發現都是意外的產物。」他甚至認為,儘管大家熟知的那些意外發現都是偉大科學家的「妙手偶得之」,但是他相信,即使才智並不超群的人也能利用同樣的意外推動科學的發展。

三年後,惠威爾在另一本書裡答覆了這位評論者:沒有一個科學發現完全起源於意外。而且大家津津樂道的「意外發現」從未發生在一般人身上;

自古以來不知有多少人見過自由落體,例如果子從樹上墜落,但是只有牛頓將意外的觀察轉化為成果斐然的結論!

這大概是西方學界針對科學本質的第一次辯論,最大的成果並不是產生共識,而是使感興趣的學者察覺到:「意外」這個詞過於籠統。阿基米德、牛頓的發現在什麼意義上是出自「意外」?達爾文的天擇理論,根據他的自述,啟發的靈感來自閱讀了馬爾薩斯的《人口論》,這是意外的發現,還是偶然的邂逅?我們講述那些意外發現的故事,使用的往往是機會、巧合、幸運、運氣、隨機等詞,那是因為修辭的需要,還是有什麼特殊用意?

其實,「歷史只是一連串偶然事件的後果」大概是最古老的史觀。它最有名的表述方式,大家都以為出自巴斯卡的《沈思錄》:

如果克麗奧佩脫拉的鼻子短了一點,世界就會不一樣了。

巴斯卡的原文是雙關語,翻譯不出來。他要表達的是,克麗奧佩脫拉的面孔改變了地球表面的政治版圖,如果克麗奧佩脫拉的鼻子短了一點,使得她的長相不一樣―她對於歷史的影響也就會不同。但是,即便解開了雙關語,讀者也可能難以領會巴斯卡的微言大意。原來他並不是在點評流行的史觀,而是指出人性的一個弱點,因為他真正的論點是:

想知道人多麼愛慕虛榮嗎?只消觀察愛情的因與果就成了。愛情的因,誰也說不上來,這個說不出名堂的東西—顯然毫無特色、微不足道—卻會顛覆整個地表:王公大人、軍隊、整個世界。

對於科學家巴斯卡而言,凡屬「說不出名堂的東西」,必然就「毫無特色、微不足道」。想來李莫愁絕不會同意:問世間情是何物,直教生死相許!

到了十九世紀下半葉,關於意外發現的討論變得更為細緻。1800年4月,伏打宣布發明「電池」的論文寄達倫敦王家學會。5月1日,兩位倫敦學者便組裝了同樣的電池做實驗。有趣的是,伏打報告的重點在於電池產生的電流對於生物身體的「震撼」,而倫敦學者的觀察重點在於產生電流的裝置―電池。因此他們立即發現了伏打完全沒有注意到的現象:「電解」。電流可以將水分解為氫與氧。而自古以來,人類都認為水是基本元素!這算是意外的科學發現嗎?

伏打發明電池,在歷史上有跡可循,也許不算意外。可是電池產生的電流有什麼性質與功用,過去的學者甚至無從想像。電池等於打開自然奧祕的一把新鑰匙。進入全新的電流祕境中,人的任何行動都可能是發現的契機,無論是意外、還是偶然,甚至用不著特別傑出的才智。

但是涉及宇宙基本結構的理論就不同了,牛頓當年即使真的受到蘋果的棒喝,大概也無法真的參透重力原理。牛頓發明新的數學分析方法收納伽利略、克卜勒的成就,再以最新的天文數據驗證,花了近二十年時光。以「頓悟」描繪他成功的關鍵,是小覷了他面對的科學問題,也小覷他的才智。

關於科學的本質,愛因斯坦一語道破,正好可以補充惠威爾的論點:

物理學是一個(思想的)邏輯體系,那個體系一直在演進,它的基礎無法以歸納法建立。許多人以為在經驗中披沙揀金即可見寶,其實不然;那個體系只能是心靈的發明。(1936年)

 

難怪意外,無論叫機會、巧合、幸運、或者歪打正著,都在科學發展過程中扮演過角色。它們會繼續創造佳話―以及時也運也命也的感嘆。

人類生物學者

王道還


 

推薦序

ch1 未知的未知——關於科學研究中意外發現的幾個理論思考
ch2 四種意外——斬斷光電磁糾纏在一起的哥丁結
ch3 親愛的,我看透你了——X射線與放射性的偶然發現
ch4 從X射線到原子能的爆炸性發展——費米與那些科學家們的意外發現
ch5 進擊的聚合物──高分子材料的意外發現
ch6 沙利竇邁的詛咒與庇佑
ch7 盤尼西林的庇佑與詛咒
ch8 胰島素發現的八點檔連續劇
附錄

胰島素發現過程的恩恩怨怨

 

憂慮、負債、失眠的一夜

班廷於1891114日,在加拿大安大略省的鄉下出生。191612月從多倫多大學醫學系畢業後,立即被送往法國擔任軍醫參加第一次世界大戰。班廷在作戰時,相當具有使命感,即使自己受了傷,仍繼續為其他傷兵們服務,因而獲頒了十字勳章。

班廷於1919年回到多倫多,並在病童醫院接受骨科外科醫師的住院訓練。隔年他向父親借了筆錢,在安大略省的倫敦市買了棟房子,開設一家外科診所,並從71日開始看診。但他的診所一直到了29日,才有第一位病人上門,而且第一個月的收入只有4元加幣。為現實所逼,班廷只好到在市區西邊的西安大略大學(University of Western Ontario)外科解剖系擔任米勒(Frederick G. Miller, 18841972)教授的助教,以領取非常微薄的時薪貼補家用。

班廷在參加第一次世界大戰之前和女友羅契(Edith E. Roach,19382020)訂了婚,但這段戀情後來卻因為經常爭吵而面臨瓦解。負債再加上感情的問題,使當時的班廷對生活深感憂慮。

19201030日的晚上,被憂慮纏身的班廷一如往常地難以入睡。於睡前昏沉之際,他在床上閱讀了11月號的《外科婦產科期刊》(Surgery, Gynecology and Obstetrics),裡面有篇由拜倫(Moses Barron, 18841974)所撰寫的論文名為〈蘭氏小島與糖尿病的關係:以膽結石為例〉(The relation of the islets of Langerhans to diabetes with special reference to cases of pancreatic lithiasis)。在這篇大體解剖的病理論文中,拜倫提到:「胰管被結石擋住,胰臟因而萎縮,造成『腺泡細胞』(acinar cells)消失,但是蘭氏小島細胞仍存在,而病人也沒有糖尿病的症狀。」拜倫認為,這似乎意味著蘭氏小島細胞健康與否,與糖尿病有關。讀到這裡,班廷忽然睡意全失了。他的腦中冒出一個念頭:若是能利用實驗方法,將胰管結紮,讓部分的胰臟萎縮,或許就可以拿到不含外分泌物的胰臟內分泌物。他隨即起床,在一張卡片上寫下「糖尿病。結紮狗的胰管,維持狗活著直到腺泡細胞萎縮,只剩蘭氏小島。試著去分離內分泌物。以治療糖尿症。」(註:這份手稿現在仍保存在多倫多醫學學術院。原稿將糖尿病寫成Diabetus;糖尿症寫成glycosurea。都是拼錯的單字)卡片上原先註明的日期是“Oct 30/20”,但班廷又將1寫在300上面,因為當他寫完字卡時,已是31日的凌晨了。

在日後的回憶錄中,班廷提到當時的心境是:「如同往常煩躁而睡不著的晚上,我想到上課和那篇論文。我也想到我的苦楚。多麼希望我能脫離債務和遠離憂慮。」這失眠的一夜使班廷偶然出現了想法,果真成為了他後來擺脫困頓生活的契機。

班廷與麥克勞德的第一次見面

班廷有了如何得到胰臟內分泌物的想法,卻苦於自己沒受過學術實驗的訓練。因而在隔天馬上前往請教米勒教授,詢問若想研究內分泌學應該尋求誰的協助。米勒教授建議班廷可以找多倫多大學生理系主任麥克勞德談談,徵詢他的建議,他是來自蘇格蘭的內分泌學教授。在米勒的安排下,雙方於118日在麥克勞德的辦公室見了面。很顯然地,當時班廷與麥克勞德就相互不滿意對方。班廷在他的日記上寫道:「剛開始他還蠻容忍的,但顯然我沒有很好地呈現議題,於是他開始讀他桌上的信件。」而麥克勞德則是寫了:「我發現班廷醫師只有很膚淺的知道教科書上有關胰臟萃取物對糖尿病效用的知識。而對於實驗室內用來解決這個問題的方法,缺乏實務的瞭解。」當班廷要離開的時候,麥克勞德還對班廷說:「我跟你講,你想做的這個研究,可能只是花時間在證明一個錯誤的假說。你最好再好好想想看。」

回到倫敦後,班廷也回去徵詢了米勒教授的意見,但他也認為班廷要測試的可能是一個錯誤的假說。他對班廷說:「你真的要把你的診所關掉,然後跑去做個沒有錢、沒有收入的研究嗎?你最好再想一想。」接連受到兩個專家的負面建議,班廷於是心想:「要是我生意能夠好起來,我大概就不做這項研究了。」

到了隔年,診所的生意一直沒有好轉,因而在5月時,班廷還是決定前往多倫多大學進行研究。當時有兩位生理系大學部的專題生,貝斯德和諾柏(Clark Noble, 19001978)願意參加班廷的研究,但班廷認為應該只需要一位助手就夠了。於是,他們兩人就以擲銅板決定由誰參加,結果就由貝斯德取得了參加研究的機會。要在大學進行研究,就需要得到系主任的認可才行。由於多倫多的夏天既潮溼又悶熱,麥克勞德在確認完班廷的實驗細節後,就按往常回蘇格蘭去避暑了。於是從1921517日起,班廷與貝斯德兩人就在醫學院的頂樓開始進行實驗。

抽絲剝繭的鑽研

胰臟內的確有可以調節血糖的神祕物質存在

班廷和貝斯德決定以狗作為實驗對象。實驗設計將兩隻狗編為一組,以410號的狗為例(圖8-10),在711日,先摘除這隻狗的胰臟,然後每天測量其血糖的濃度。727日時,可以觀察到血糖已明顯地升高,這個現象可以說明胰臟內的確有某種特殊的分泌物,可以調控血糖。到了730日,410號狗的體內血糖濃度已高達每公升200毫克(mg)。而與410號狗同組的另外一隻狗,則是在與摘除胰臟的同一天,用班廷前一年在手稿上所寫的方法,以手術結紮胰臟管,使胰臟自然萎縮,最後僅剩下蘭氏小島仍然會產生分泌物。在730日當天,他們摘除了這一隻狗萎縮的胰臟,並配合生理鹽水加以研磨,然後在早上10點鐘時,將這些胰臟萃取物注射到410號狗身上。兩個小時後,410號狗的血糖濃度就已經下降到每公升100毫克。到了下午2點時,他們又將0.2公克的葡萄糖溶於200 毫升的水,經由胃管餵食到410號狗的胃內,此狗體內的血糖濃度又開始逐漸地上升。接著,他們每隔一小時注射一次胰臟萃取液,而狗的血糖濃度就開始急劇地下降。這是醫學史上第一次證明:胰臟內的確有可以調節血糖的神祕物質存在。但到隔天,這隻410號狗就因「惡病體質」(cachexia)而死亡。班廷雖有受過醫師的訓練,但他的手術技巧其實不是很靈光,再加上狗的胰臟小,更是增加了手術難度。因此在班廷研究剛開始的時候,狗經常於還沒進入真正的實驗前,就因手術的感染導致腹腔發炎而死亡。很快地,麥克勞德在渡假前留給他們的狗都用光了,他們只好到多倫多街上向人們買狗回來進行研究。

83日時,他們注意到,已摘除胰臟的408號狗血糖濃度上升到275毫克,於是在84日下午1點時,為408號狗注射了4天前採自另一隻狗的胰臟萃取液5毫升。注射的兩小時後,牠的血糖濃度就成功降到了150毫克。到85日上午9點,408號狗的血糖值又升到了260毫克,這次他們故意改成打入5毫升肝萃取液,結果血糖仍然持續地上升,到11點時已達300毫克。此時,又換打入5毫升脾臟萃取液,該狗的血糖仍維持在300毫克,沒有下降。接著在下午2點、3點、4點,他們分批將胰臟萃取液打入408號狗體內,結果該狗的血糖就逐漸的下降到170毫克。隔日,該狗的血糖自然地逐漸上升。到了87日凌晨,濃度已高達430毫克。他們開始每隔2小時為其注射一次胰臟萃取液,在當天上午8點鐘時,血糖濃度就成功降到了110毫克。但到了11點鐘時,408號狗最終因腹膜炎而死亡。綜觀此次408號狗的實驗,獲得的最大成果是:他們證明了肝臟與脾臟的萃取液,均無法調控血糖,僅有胰臟萃取液具有此種效果。

真正能夠決定性確認胰臟萃取液具有調控血糖功能的,是於117日所進行的實驗。他們直接將葡萄糖水注射到16號狗的血管裡,想當然耳,其血糖濃度馬上直線上升。到了隔天下午3點,在該狗被打入胰臟萃取液後,血糖濃度馬上降了下來。到晚上8點時,血糖濃度自然地上升後,又再次注射胰臟萃取液進入16號狗體內,結果血糖濃度再次很快地下降了。這個實驗直接地證明了:胰臟萃取液裡的確有某種物質,可以調控血糖的濃度。這個先前被麥克勞德和米勒認為可能是錯誤的假說,其實是正確的!

在這一系列的實驗中,值得一提的是他們在9月分所進行的實驗。97日時,他們開始了對9號狗的實驗。實驗流程與前述類似,班廷和貝斯德同樣反覆地為摘除胰臟的實驗狗注射胰臟萃取液,以藉此確認是否真的具有調控血糖的效果。但此次實驗不一樣的是,在913日的上午9點,他們改以採自貓的胰臟萃取液進行注射,發現9號狗的血糖濃度竟然也會下降!到了下午2點時,他們再追加注射一次貓的胰臟萃取液,結果該狗的血糖仍持續下降。此次的研究使得他們瞭解到,狗與貓雖然是截然不同的動物,但是胰臟的分泌物都同樣能夠調控血糖的濃度。而且就算是進行跨物種的施打,胰臟萃取液於不同動物體內仍然能夠保有相同的作用。

雙方逐漸交惡

麥克勞德在921日時,從蘇格蘭的避暑假期返回多倫多大學,班廷向他報告了這期間的實驗結果。但麥克勞德不僅沒有感到驚豔,甚至還懷疑報告中的數據準確度,並要求他們再重做實驗。聽到他的質疑,班廷當場就發飆了。班廷不僅對麥克勞德的質疑表示憤怒,還接著要求他必須提供薪水、更大的實驗室空間以及另一位幫手給自己,並要求修繕會漏水的實驗室地板。對於班廷的諸多要求,麥克勞德全都不答應。憤怒的班廷就對麥克勞德說道:「那我會考慮改到梅耶診所(Mayo Clinic)或洛克菲勒醫學研究所(Rockefeller Institute for Medical Research) 進行實驗。」麥克勞德也怒回道:「你不要在那兒發牢騷!我就是多倫多大學。」此次會面就這樣不歡而散。在班廷回到實驗室後,就將整個過程都講給貝斯德聽。然後說了一句:「我會證明那狗娘養的,他不是多倫多大學。」(I will show that little son of a bitch that he is NOT the University of Toronto.)不過要等7年之後,貝斯德才終於感受到班廷那句話的真意。

幾天之後,麥克勞德雖然軟化答應了班廷所有的要求,但卻只給了班廷150元、貝斯德170元作為暑期的薪水。班廷甚至要靠藥學系的漢德森(Velyien E. Henderson, 18771945)教授幫忙,在藥學系找到一份每月250元的兼差職務,才能免於餓肚子。

192111月初的時候,麥克勞德要求班廷和貝斯德在學系的書報討論會上報告他們的實驗成果。但麥克勞德為他們介紹和講評時,卻一直用「我們」和「我們的」這兩個字眼,使得學生們誤以為這項實驗是由三人共同進行。結果在課後,班廷聽到學生們大大誇獎了麥克勞德的實驗功力很高強,這使得班廷更加怒火中燒,認為麥克勞德搶走了他們的實驗成果。

於同年年底,美國生理學會在康乃狄克州的耶魯大學舉行了年會。班廷、貝斯德與麥克勞德三人共同發表了以「胰臟的內分泌」為題的論文,但第一作者的列名居然是麥克勞德。而在演講時,班廷顯得結結巴巴、詞不達意,但反觀麥克勞德,卻是使用很優雅的字眼,陳述數據。在這場年會中,先前已發表有關胰臟萃取液論文的斯科特和克萊納也在場,並且對班廷提出了許多尖銳的問題,使得班廷難以招架。事實上,班廷並非是準備不足或是理論站不住腳,而是由於他是一位醫生。當時的醫科學生平常並不會接受到很好的學術訓練,而是以學徒制來學習看病的技術,因此他並不曉得該怎麼去應對這些尖銳的問題。此時,有勞於學院派教授出身的麥克勞德跳出來替班廷解圍,才化解了這個危機。但在麥克勞德發言的過程中,他的用詞一直是使用「我們」和「我們的」,這又再次觸犯了班廷的大忌。班廷從小在鄉下長大,而麥克勞德則來自充滿文化薰陶的家庭,因此兩人的認知並不相同。這件事對於直腸子的班廷來說,總覺得麥克勞德的說法是在搶他的功勞,因而非常憤怒。也因此,日後班廷對麥克勞德又更加嫌惡了。

關鍵人物的出現

1921年底,出現了兩位協助胰島素萃取技術發展的關鍵人物。一位是著名的禮來藥廠(Eli Llly)研發部主任克勞斯(George H. A.Clowes, 18771958),另一位則是美國洛克菲勒獎學金得主的科利普(James B. Collip, 18921965)教授(圖8-11)。

克勞斯也出席了1921年那次的美國生理學會年會。在聽完班廷他們的演講後,立即嗅到了商機的存在,於是在會後馬上詢問麥克勞德,他的藥廠是否能夠幫忙純化胰臟的萃取物。但當時的麥克勞德回覆他說:「商機還沒成熟。」

禮來藥廠是一個很獨特的公司,由一對父子共同經營,在當時已有四十多年的歷史了。他們經營的理念不太強調生意,但卻很重視研究。克勞斯雖然是英國人但是在德國拿到化學博士學位,並受到了禮來藥廠的挖角,讓他擔任研發部的主任,還給了他一個條件:不需要發展藥品,唯一的責任就是跟大學教授們交朋友,並進行他有興趣的研究。到職後的克勞斯在暑期時間,會到麻州伍茲霍爾(Woods Hole)的海洋生物實驗室(Marine Biological Laboratory)進行有關海洋生物的研究;而其他的時間,就是到處參加學會和教授們培養私人友誼。也正是因為這個契機,使得後來禮來藥廠藉由生產胰島素,而獲得了數十億以上的利潤。

另一位關鍵人物科利普教授在1921年底時,正好來到麥克勞德的實驗室與其進行為期半年的合作研究。科利普從學士到博士的學位都是在多倫多大學從事生物化學研究。而當時的他,則是在多倫多西邊艾伯塔省(Alberta)的艾伯塔大學(University of Alberta)擔任教授。麥克勞德知道這時候班廷的團隊需要一位懂得萃取胰臟分泌液的專家,因此向科利普邀請道:「你的專業是生物化學,對於分離化合物相信一定非常拿手。所以想邀請你從我的實驗室轉到班廷的團隊,幫助他們進行萃取的工作。」於是,科利普轉與班廷的團隊合作了將近半年的時間,主要負責萃取胰臟分泌液的工作,在班廷的研究中扮演了很關鍵的角色。

原先班廷所使用的實驗室空間,因為科利普的加入而不敷使用,於是開始另外使用康納特實驗室(Connaught Laboratory)的空間。康納特實驗室是由一位多倫多大學的校董事谷德漢上校(Albert Gooderham, 18611935)捐錢所建。谷德漢在19世紀末曾幫英國打過仗,因此得到了上校的頭銜。同時,他也是位事業很成功的酒商,累積了龐大的財富。在1914年時,捐錢為多倫多大學建造了這棟實驗室。康納特實驗室主要是給衛生學系的費茲捷爾(John G. FitzGerald, 18821940)教授使用來生產抗白喉病的疫苗,但由於這間建築有很大的空間,因此科利普也得以在那裡進行萃取胰臟分泌液的工作。

1922119日,科利普開始進行萃取胰臟分泌液的工作。拜科利普的專業所賜,他分析出了為什麼先前班廷和貝斯德所得到的萃取液純度都不高的原因。因為麥克勞德教他們的方法是:把胰臟取出來後,置於保持低溫的生理食鹽水中研磨,然後再進行過濾。然而這種處理方式會在萃取液中留有許多雜質。現在我們知道,蘭氏小島除了分泌胰島素之外,還分泌其他三種化合物。班廷先前只用生理食鹽水進行萃取,是很粗糙的方法。科利普用一系列不同濃度的酒精進行萃取,結果他發現在濃度50%65%時都有沉澱物出現,但超過90%後就什麼都沒有了。從這觀察中他得知,「臨界點」(critical point)89%的酒精,也就是說在該濃度的酒精中,能夠萃取出最高純度的胰島素。接著,科利普又有了項新創舉。為了證明胰島素的存在,班廷和貝斯德過去的實驗一次皆要使用兩隻狗,這相當耗費金錢,而且實驗用狗也不好買到。經過考量後,科利普改用家兔當做材料。實驗方式一樣是先測量家兔血糖濃度後,再打入胰臟萃取液進行觀察。若是1毫升的萃取液,能使得家兔的血糖降低10毫克,則定義該萃取液為「一個家兔單位」(1 rabbit unit)。他的這項創舉,不僅省去了每次都要使用兩隻狗來做實驗的麻煩,也加快了研究的進展。

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