卡米洛·高爾基的科學(xué)故事及其在教學(xué)中的應(yīng)用

安徽師范大學(xué)生物教育研究中心(241002) 孟 蕊 韓 菲 魯亞平

科學(xué)是一個發(fā)展的過程?？茖W(xué)家作為科學(xué)的實(shí)踐者是科學(xué)史的重要組成部分。學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神。在高中生物教科書(必修)中涉及到國內(nèi)外科學(xué)家80余人，這些科學(xué)家的故事都是非常好的課程資源。

卡米洛·高爾基(Camillo Golgi，1843—1926)一生研究領(lǐng)域廣泛，為現(xiàn)代生物科學(xué)尤其是神經(jīng)科學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)，被后人稱為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)奠基者之一。1906年，他與西班牙科學(xué)家圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾(Santiago Ramón y Cajal，1852—1934)共獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。高中生物的教學(xué)中與其有關(guān)內(nèi)容主要有“分子與細(xì)胞”模塊中細(xì)胞器高爾基體和“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”中神經(jīng)調(diào)節(jié)。因此，了解高爾基所做的科學(xué)工作對于教師和學(xué)生學(xué)習(xí)上述內(nèi)容有著重要的作用。

1 高爾基生平

1843年7月，卡米洛·高爾基出生于意大利北部一個名叫科爾特諾(Corteno)的鄉(xiāng)村。他的父親是一名醫(yī)生，受他父親的影響，他選擇在帕維亞(Pavia)大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，并在那里以實(shí)習(xí)生的身份加入了龍勃·羅梭(Cesare Lombroso，1836—1909)指導(dǎo)的精神病學(xué)研究所。1865年大學(xué)畢業(yè)后，高爾基師從細(xì)胞生物學(xué)先驅(qū)之一的Gioni Bizzozero教授學(xué)習(xí)，得到了組織學(xué)技術(shù)的系統(tǒng)訓(xùn)練。

1869年，高爾基將研究重點(diǎn)集中于神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)觀察上，開始了他孜孜追求的科學(xué)研究生涯。然而，由于當(dāng)時技術(shù)發(fā)展水平有限，神經(jīng)組織又十分復(fù)雜，他在進(jìn)行神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究時，并沒有出現(xiàn)令人滿意的進(jìn)展。1872年，由于經(jīng)濟(jì)原因，高爾基受聘在一家慢性病醫(yī)院擔(dān)任院長。但是醫(yī)院有嚴(yán)格的隔離制度，使他無法在醫(yī)院內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)工作。于是他就在自家的廚房里支起顯微鏡和儀器建立起了自己簡陋的實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)開展神經(jīng)科學(xué)的研究,很多的重要發(fā)現(xiàn)都誕生于此。1873年，就在那個簡陋的小廚房里，高爾基發(fā)現(xiàn)了一種神經(jīng)組織染色方法，即黑色反應(yīng)(Black reaction)，又稱神經(jīng)組織鍍銀法(Silver impregnation method)。晚年，他這樣回憶這段時光：“我在Pio Luogo分配給我的小公寓廚房里進(jìn)行組織微觀研究時，雖然當(dāng)時孤立無援，但我沒有覺得這對我的科學(xué)研究造成困擾，科學(xué)的神圣之火驅(qū)使我打敗了惡劣的環(huán)境?！?/p>

19世紀(jì)末，基于對中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和人類血液中寄生蟲發(fā)育周期研究的貢獻(xiàn)，高爾基已然聞名遐邇。1906年，高爾基被授予諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎。1926年1月21日高爾基在他工作了一生的帕維亞逝世。高爾基雖然離開了我們，但他對科學(xué)的熱情，認(rèn)真鉆研的科學(xué)精神值得當(dāng)代每一位科研工作者學(xué)習(xí)。

2 高爾基的幾個重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)

2.1 黑色反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與諾貝爾獎

高爾基在研究腦內(nèi)神經(jīng)元時發(fā)現(xiàn)由于神經(jīng)元數(shù)量龐大，普通染色會將所有神經(jīng)元都染上顏色，無法觀察到單一神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)。1873年，高爾基發(fā)現(xiàn)了一種神經(jīng)組織染色方法，即黑色反應(yīng)，又稱神經(jīng)組織鍍銀法。但高爾基發(fā)現(xiàn)的黑色反應(yīng)在當(dāng)時并沒有得到重視。第一，當(dāng)時科研人員對組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀研究時，創(chuàng)建了許多的技術(shù)方法，黑色反應(yīng)只是其中一種，各種方法良莠不齊，人們一時難以辨別；第二，當(dāng)時科學(xué)家普遍接受尼式染色法，高爾基的染色法沖擊了當(dāng)時大多數(shù)研究神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家的傳統(tǒng)觀念；第三，高爾基黑色反應(yīng)的成果所發(fā)表的期刊不被人們重視，以至于很長一段時間，很少有人愿意嘗試運(yùn)用他的這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)去進(jìn)行相關(guān)的研究。但高爾基從未懷疑過黑色反應(yīng)技術(shù)的正確性。為了更清晰地顯示神經(jīng)元的精細(xì)結(jié)構(gòu)，高爾基不斷修改化學(xué)試劑和物理參數(shù)，嘗試給出這個黑色反應(yīng)的“最佳條件”。經(jīng)過無數(shù)次的嘗試和失敗，高爾基終于運(yùn)用這些“最佳條件”拍攝出了精美的神經(jīng)元顯微圖片。1885年，高爾基在他的著作《神經(jīng)系統(tǒng)器官顯微解剖學(xué)》中大量引用了這些圖片作為插圖。當(dāng)人們從這本書中看到這些完美的圖片時，方才認(rèn)識到黑色反應(yīng)的魅力。

黑色反應(yīng)對神經(jīng)科學(xué)研究影響深遠(yuǎn)，直到今天我們?nèi)匀贿\(yùn)用這種方法進(jìn)行神經(jīng)組織的病理學(xué)檢查和科學(xué)研究。這種方法也較為簡單：先用重鉻酸鉀將神經(jīng)組織硬化，再用硝酸銀浸漬。最終的結(jié)果是由于鉻酸銀的沉淀，填充了神經(jīng)細(xì)胞體及其突起。因此，神經(jīng)細(xì)胞的黑色輪廓得以顯現(xiàn)。由于至今不明的“神奇”原因，鉻酸銀沉淀物只能染黑很少的神經(jīng)細(xì)胞(通常只占總神經(jīng)元的1%～5%)，從此解決了觀察單一神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的難題。

高爾基發(fā)現(xiàn)的黑色反應(yīng)讓神經(jīng)元學(xué)說得以證實(shí)，但他一生卻支持神經(jīng)元學(xué)說的對立學(xué)說——神經(jīng)網(wǎng)狀學(xué)說。1838—1839年，施萊登(Matthias Jacob Schleiden，1804—1881)和施旺(Theodor Schwann，1810—1882)闡述了細(xì)胞理論，但沒有涉及到神經(jīng)細(xì)胞。高爾基利用黑色反應(yīng)進(jìn)行了一系列研究并支持“神經(jīng)網(wǎng)狀學(xué)說”。他認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)狀的神經(jīng)纖維構(gòu)成。與此同時，威廉·沃爾代(Wilhelm Waldeyer，1836—1921)提出的“神經(jīng)元”細(xì)胞學(xué)說得到了廣泛支持。西班牙神經(jīng)科學(xué)家卡哈爾就是“神經(jīng)元學(xué)說”的支持者之一。他改進(jìn)了高爾基發(fā)現(xiàn)的黑色反應(yīng)染色法，并利用此法對脊神經(jīng)在脊髓內(nèi)分布作了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元之間并沒有原生質(zhì)聯(lián)系，而是相互接觸的。因此，他支持神經(jīng)系統(tǒng)是由分開的、邊界分明的細(xì)胞通過高度有序的特異性突觸連結(jié)而成的“神經(jīng)元學(xué)說”，反對網(wǎng)狀學(xué)說。

雖然卡哈爾與高爾基在理論上支持的觀點(diǎn)不同，但在實(shí)際工作上，他正是應(yīng)用了高爾基的黑色反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了他的研究工作。盡管觀點(diǎn)對立，但這兩位神經(jīng)科學(xué)的開拓者并沒有失去彼此的愛惜和尊重。他們都對神經(jīng)組織進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為人們?nèi)蘸笊钊胝J(rèn)知神經(jīng)系統(tǒng)的功能打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

瑞士神經(jīng)科學(xué)家魯?shù)婪颉た评?Rudolf K?lliker)曾說：“根據(jù)對科學(xué)的貢獻(xiàn)，卡米洛·高爾基公爵在1901年(首屆諾貝爾獎)就應(yīng)該獲得頒獎。”但直到1906年，高爾基才與卡哈爾共同獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。委員會認(rèn)為兩名科學(xué)家都在“神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”方面作出了杰出貢獻(xiàn)：高爾基提供了研究方法，卡哈爾對腦和脊髓結(jié)構(gòu)方面見解深入。

值得一提的是高爾基基于當(dāng)時的科學(xué)事實(shí)，即黑色反應(yīng)(高爾基染色)所觀察的結(jié)果，支持“網(wǎng)絡(luò)學(xué)說”。今天我們知道，這一解釋科學(xué)事實(shí)的理論與客觀事實(shí)有偏差，但高爾基所創(chuàng)立的實(shí)驗(yàn)方法及其所揭示的科學(xué)事實(shí)在今天仍然被視為科學(xué)經(jīng)典。在某種意義上，科學(xué)就是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、不斷更新答案的過程，并不會因?yàn)楫?dāng)時認(rèn)知的不完美，而否定他對現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)作出的卓越貢獻(xiàn)。

2.2 高爾基體的命名

高爾基體是細(xì)胞分泌途徑中重要的細(xì)胞器，既控制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和脂類合成后的修飾、分選和運(yùn)輸?shù)冗^程，又參與物質(zhì)運(yùn)輸和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。1897年，高爾基用顯微鏡研究貓頭鷹脊髓神經(jīng)元時，在細(xì)胞質(zhì)中觀察到了一個“網(wǎng)狀堆層結(jié)構(gòu)”。該結(jié)構(gòu)與細(xì)胞核和細(xì)胞膜有明顯的分隔。1898年4月，他在帕維亞醫(yī)學(xué)外科學(xué)會研討會上介紹了這一“內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，并以他自己的名字命名為高爾基體。這種細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞生物學(xué)的一個真正突破。然而，由于當(dāng)時顯微鏡技術(shù)的發(fā)展有限，更主要的是高爾基染色呈現(xiàn)高爾基體不穩(wěn)定，具有偶然性。因此，高爾基體的存在一直備受爭議，細(xì)胞學(xué)家賦予它幾十種不同的名稱，也有很多人認(rèn)為高爾基體是由于固定和染色而產(chǎn)生的人工假象。直到上世紀(jì)50年代中期通過使用透射電子顯微鏡才證實(shí)了高爾基體的真正存在。

1910年，“高爾基體”作為術(shù)語在研討交流中被使用，1913年在科學(xué)文獻(xiàn)中首次出現(xiàn)了這一名詞。至此，高爾基成為了細(xì)胞和分子生物學(xué)中被引用最多的科學(xué)家名字之一。

2.3 多個研究領(lǐng)域的開拓者

高爾基除了以上為眾人所知的重要貢獻(xiàn)以外，在神經(jīng)科學(xué)的多個方向都做出了開拓性工作，被譽(yù)為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)創(chuàng)始人之一。他發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)軸突的分支和樹突在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中不融合的事實(shí)。他對小腦結(jié)構(gòu)的研究中，詳細(xì)描述了小腦皮質(zhì)和嗅覺葉的組織結(jié)構(gòu)。并且在舞蹈病例中觀察到了紋狀體和皮質(zhì)損傷，為理解其發(fā)病機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

同時，高爾基還揭示了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)特征以及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與血管之間的關(guān)系。他根據(jù)細(xì)胞的形態(tài)特征，將神經(jīng)元分為兩種基本類型，即“Golgi I”和“Golgi II”。1878年，他還描述了兩種腱感覺小體：高爾基腱器官(本體感受器)和高爾基-馬佐尼小體(壓力刺激小體)。

1886—1892年間，高爾基將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到當(dāng)時死亡率極高的流行性疾病瘧疾的發(fā)病規(guī)律上，并做出了重要的貢獻(xiàn)：他闡明了紅細(xì)胞中瘧疾治病因子——瘧原蟲的發(fā)育規(guī)律，以及復(fù)發(fā)性寒戰(zhàn)和發(fā)熱與血液中寄生蟲的釋放之間的時間關(guān)系。高爾基還研究了在發(fā)病期間使用奎寧的療效，為防止這種流行性疾病在歐洲的肆虐提供了科學(xué)支撐。

高爾基是一位敏銳又多產(chǎn)的科學(xué)家。他的研究領(lǐng)域還涉及組織學(xué)、組織發(fā)生學(xué)、腎臟病理學(xué)。1892—1893年間，他還發(fā)現(xiàn)了胃腺壁細(xì)胞小管，現(xiàn)在我們通常稱為Müller-Golgi小管。

有趣的是，盡管高爾基曾擔(dān)任過醫(yī)院院長，他的研究成果挽救了無數(shù)人的生命，但他從未進(jìn)入臨床醫(yī)療領(lǐng)域。然而，他創(chuàng)立的神經(jīng)病理學(xué)研究所，向全世界熱愛做實(shí)驗(yàn)的學(xué)者開放，卻培養(yǎng)了許多杰出的年輕醫(yī)生。高爾基一生積極支持公益事業(yè)。第一次世界大戰(zhàn)時，他已步入高齡，但依然堅持在軍隊醫(yī)院工作，為神經(jīng)損傷患者的診治和康復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

3 科學(xué)史在教學(xué)中的應(yīng)用——以高爾基體為例

科學(xué)史作為重要的課程資源，已經(jīng)引起很多一線教師的重視。但是，如何用好科學(xué)史的內(nèi)容是一線教學(xué)中的難題。那么我們怎么利用上述關(guān)于高爾基的科學(xué)故事，讓我們的課堂更接近于學(xué)科本質(zhì)呢？以細(xì)胞器為例，如前所述，高爾基是在研究貓頭鷹的神經(jīng)元細(xì)胞的時候發(fā)現(xiàn)了“高爾基體”這樣一個結(jié)構(gòu)的。那么，我們可以打破教科書中學(xué)習(xí)細(xì)胞器時所使用的普通的動、植物細(xì)胞，而是以神經(jīng)細(xì)胞為例學(xué)習(xí)各種細(xì)胞器。神經(jīng)元胞體所含的細(xì)胞器和所有動物的細(xì)胞一樣。最重要的有細(xì)胞核、粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和線粒體。提示學(xué)生思考神經(jīng)元胞體內(nèi)有發(fā)達(dá)的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、軸突內(nèi)沒有核糖體、軸突末梢內(nèi)有大量線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因是什么。除此之外，以神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)高度特化以執(zhí)行其特定的功能為例，講授細(xì)胞器之間的分工合作更有利于學(xué)生從整體理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。

總之，科學(xué)史融入教學(xué)不是簡單內(nèi)容的羅列，而是要與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合起來，以多種多樣的方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前。把學(xué)生從枯燥的科學(xué)結(jié)論中解放出來，回歸生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)的自然學(xué)科屬性。同時，學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路進(jìn)行趣味性和探究性學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中了解科學(xué)家的研究歷程，有成功的喜悅，也有失敗的挫折。在成功時懂得奉獻(xiàn)，在失敗時懂得執(zhí)著。在得與失不斷地研究過程中，科學(xué)家的行為、思想、精神深深的影響著學(xué)生的情感態(tài)度和價值觀。