沒有測量,就沒有科學。——門捷列夫
跑步時,我們能直觀感受到肌肉的力量,但誰為肌肉提供能量呢?從遠古走來,人類憑藉智慧對超出五感的問題並不缺少答案,比起終極三問,“我是誰,從哪來,到哪去”,肌肉能量問題只是小兒科,源遠流長的樸素唯物論認為“吃啥補啥”和“百煉成鋼”,反面教育則有“酒色傷身”。
健客:還以為今天是生物化學課,講人體能量系統。
雲飛:哈哈,真若如此,你是不是又要喊頭疼啦?
健客:營養+鍛鍊,這個我喜歡。
雲飛:那你説説。
健客:跑步嘛,就要多吃肉,最好是啃骨頭上的肉。想更高、更快、更強就要多鍛鍊,聞雞起舞,篤行不怠。
雲飛:嘿嘿,成為優秀的跑者,這些夠吧。
健客:對了,還有不貪酒色,還要加上有沒有好師傅,是不是那塊料,奇遇也不能少。
雲飛:哈哈,武俠小説看多了吧。長久以來,人類通過感覺、思維和實踐去認識世界和自我。
1897年,德國生物化學家畢希納證明發酵過程在沒有酵母菌存在的情況下也可進行,其本質是由酵素即酶引起的催化反應,由此開創了酶化學,成為近代生物化學誕生的標誌。畢希納因此獲得1907年諾貝爾化學獎。
健客:畢希納啊,我知道,在《細菌傳》中講過。
雲飛:嗯,後起之秀用科學實驗終結了偉大的李比希和偉大的巴斯德之爭。其實,是後浪把前浪拍在沙灘上。
20世紀,肌肉能量的熱力學研究首先獲得進展。接下來,生物化學在新陳代謝及其調控機制方面取得重大突破,相繼發現糖酵解、三羧酸迴圈、氧化磷酸化等。
健客:這些就不太清楚了。
雲飛:那麼,肌肉的能量之源就從這裡聊起。
1886年9月26日,希爾出生於英國布裏斯托,比畢希納小26歲。由於父母離異,希爾和妹妹隨母親生活。雖然家境貧寒,但是母親重視教育。少年時代的希爾是數學神童,1905年進入康橋大學三一學院,第一年就對數學厭倦了。在導師的鼓勵下,他開始轉攻生理學。1909年,希爾畢業,留校從事生理學研究。該校生理學實驗室名家雲集,希爾受益良多。早期,他主要借助其數學方面的天賦為實驗提供理論支撐和幫助,比較有影響力的工作是對血紅蛋白與氧結合的研究,提出了希爾經驗公式。後來在實驗室主任的指導下,開始肌肉熱力學研究。
鋻於德國在這方面處於領先地位,希爾于1911年赴德訪學,了解先進技術。肌溫測量的難點在於溫度變化小而迅速,希爾努力提高測熱儀器的靈敏度與反應速度,直到1914年第一次世界大戰爆發。希爾入伍,不是上前線,而是參與武器研發,在運籌學和彈道學方面一展才華,升到少校軍銜。一戰結束後,他被封為爵士,並當選皇家學會會員。畢希納就沒那麼幸運了。1917年,他在羅馬尼亞的福克沙尼戰地醫院擔任少校,8月11日,在馬拉塞蒂戰役被彈片擊中,于兩天后去世,葬在福克沙尼的德國士兵墓地,享年57歲。
健客:成名科學家還要上戰場啊?
雲飛:那時,人們對科學及科學家的重要性認識不足吧,認為沒有理由不讓科學家上戰場,和普通士兵一起出生入死。畢希納之死對德國是重大損失,還有一個人的死讓英國乃至全世界追悔莫及。
健客:快説説。
雲飛:一戰爆發後,比希爾小1歲的英國物理學家、化學家莫塞萊以志願者身份入伍並成為工程兵軍官,1915年8月10日,在加裏波利戰役中彈身亡。要知道莫塞萊研究生涯開端取得的成果就足以配得上諾貝爾獎。他的死被認為可能是那場戰爭對全體人類而言代價最為慘重的犧牲。英國政府為此修改政策,不允許那些取得突出成就或者有著遠大前途的科學家再上前線。
説到門捷列夫的名言:沒有測量,就沒有科學。1913年,莫塞萊用X射線測量了多種金屬化學元素的電磁波譜,發現實驗中測得的X射線波長與X射線管靶中的金屬元素原子核的核電荷數之間有系統性的數學關係,被稱為莫塞萊定律。在這之前,門捷列夫以為元素在週期表中的序號由原子量決定。為此,他不得不調整部分元素在元素週期表中的位置。舉例來説,鈷的原子量略大於鎳,如果根據原子量排序,那麼鈷應當排在鎳之後,但根據兩者的物理和化學屬性,門捷列夫將鈷排在鎳之前。
健客:哈哈,那豈不成了主觀推測。
雲飛:莫塞萊的實驗説明原子序數即元素在週期表中的序號,在數值上等於原子核的核電荷數(即質子數)。元素在週期表中的序號,不是推測而是科學,是基於測量的結果。
1920年,希爾成為曼切斯特大學的生理學教授。巧合的是,莫塞萊也曾在這裡工作,一場戰爭徹底改變了兩人的命運。1922年,希爾和德國科學家邁耶霍夫共同獲得諾貝爾生理學或醫學獎。兩個來自不同國度的科學家,因為關注肌肉的能量代謝問題而共同獲此殊榮。
希爾關注肌肉産熱,他的儀器可測出在百分之幾秒時間內,千分之幾攝氏度的微小變化,通過測定離體蛙縫匠肌在實驗中産生的溫度變化,他發現肌肉在收縮和舒張期所産生的熱量不到一半,一多半是在肌肉靜息恢復時産生的。
健客:離體蛙縫匠肌是什麼意思?
雲飛:這個解釋起來有點血腥,簡單説就是把青蛙腿摘下來。青蛙是生理學實驗中常用的一種動物。離體作為生物學用語,指的是為了各種研究目的而把生物體的一部分摘出和游離于生物體外的狀態。縫匠肌位於大腿腹面中線的狹長帶狀肌。肌纖維斜行,起于髂骨和恥骨癒合處的前緣,止于脛腓骨近端內側。收縮時可使小腿外展,大腿末端內收。
希爾還發現肌肉靜息恢復時只有一小部分乳酸被徹底氧化成二氧化碳和水,大部分乳酸則在有氧條件下被重新還原為肌肉中的糖原。20世紀20年代,希爾出版了三部運動生理學名著:《肌肉活動》、《人類的肌肉運動——調速度與疲勞恢復的因素》和《有生命的機械》。由於他對運動生理學發展的巨大貢獻,希爾被一些生理學工作者認為是“運動生理學之父”。希爾大半生的研究圍繞肌肉能量的熱力學研究,邁耶霍夫一生的事業都與肌肉能量的生物化學研究有關。在前人的基礎上,邁爾霍夫指出在不利用氧氣的條件下,消耗糖原産生乳酸,糖原的消耗數量與乳酸的生成數量成比例關係。肌肉的無氧運動會伴隨糖原酵解産生乳酸,當肌肉靜息恢復時,有一部分乳酸又會轉化為糖原。在肌肉運動過程中,糖原與乳酸迴圈轉化,是人類運動科學的里程碑。在諾貝爾獎授獎儀式上,邁耶霍夫毫不保留地承認和感謝希爾的肌溫測量對自己研究工作的指導作用。“當希爾教授有此重要發現時,在這昏暗之中便出現了一縷亮光。”邁耶霍夫説:“正是這一發現如燈塔之光洞穿海上迷霧,使我得以平安前行,駛過險灘。” 希爾和邁爾霍夫的研究成果與學術思想深刻影響著肌肉生理學和運動生理學的發展。
為了保證生命延續、器官運作和肌肉活動,人體不斷消耗能量……更多發現、更多理論、更多訓練方法你方唱罷我登場。敬請期待。