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。科學(xué)家作為科學(xué)的實踐者是科學(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，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“分子與細胞”模塊中細胞器高爾基體和“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，高爾基將研究重點集中于神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗觀察上，開始了他孜孜追求的科學(xué)研究生涯。然而，由于當時技術(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)令人滿意的進展。1872年，由于經(jīng)濟原因，高爾基受聘在一家慢性病醫(yī)院擔任院長。但是醫(yī)院有嚴格的隔離制度，使他無法在醫(yī)院內(nèi)開展實驗工作。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驗室，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行組織微觀研究時，雖然當時孤立無援，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，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，認真鉆研的科學(xué)精神值得當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)在當時并沒有得到重視。第一，當時科研人員對組織結(jié)構(gòu)進行微觀研究時，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用他的這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)去進行相關(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。當人們從這本書中看到這些完美的圖片時，方才認識到黑色反應(yīng)的魅力。

黑色反應(yīng)對神經(jīng)科學(xué)研究影響深遠，直到今天我們?nèi)匀贿\用這種方法進行神經(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)細胞體及其突起。因此，神經(jīng)細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，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)闡述了細胞理論，但沒有涉及到神經(jīng)細胞。高爾基利用黑色反應(yīng)進行了一系列研究并支持“神經(jīng)網(wǎng)狀學(xué)說”。他認為中樞神經(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不同，但在實際工作上，他正是應(yīng)用了高爾基的黑色反應(yīng)技術(shù)進行了他的研究工作。盡管觀點對立，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)組織進行了詳細的研究，為人們?nèi)蘸笊钊胝J知神經(jīng)系統(tǒng)的功能打下了堅實的基礎(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，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?！钡钡?906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：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時的科學(xué)事實，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)事實的理論與客觀事實有偏差，但高爾基所創(chuàng)立的實驗方法及其所揭示的科學(xué)事實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，并不會因為當時認知的不完美，而否定他對現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)作出的卓越貢獻。

2.2 高爾基體的命名

高爾基體是細胞分泌途徑中重要的細胞器，既控制細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和脂類合成后的修飾、分選和運輸?shù)冗^程，又參與物質(zhì)運輸和信號轉(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)與細胞核和細胞膜有明顯的分隔。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。這種細胞器的發(fā)現(xiàn)是細胞生物學(xué)的一個真正突破。然而，由于當時顯微鏡技術(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，細胞學(xué)家賦予它幾十種不同的名稱，也有很多人認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50年代中期通過使用透射電子顯微鏡才證實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)文獻中首次出現(xiàn)了這一名詞。至此，高爾基成為了細胞和分子生物學(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。他對小腦結(jié)構(gòu)的研究中，詳細描述了小腦皮質(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)細胞的形態(tài)特征以及神經(jīng)膠質(zhì)細胞與血管之間的關(guān)系。他根據(jù)細胞的形態(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，高爾基將研究重點轉(zhuǎn)移到當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：他闡明了紅細胞中瘧疾治病因子——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，向全世界熱愛做實驗的學(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？以細胞器為例，如前所述，高爾基是在研究貓頭鷹的神經(jīng)元細胞的時候發(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)細胞器時所使用的普通的動、植物細胞，而是以神經(jīng)細胞為例學(xué)習(xí)各種細胞器。神經(jīng)元胞體所含的細胞器和所有動物的細胞一樣。最重要的有細胞核、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，講授細胞器之間的分工合作更有利于學(xué)生從整體理解細胞的結(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)科實驗的自然學(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，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。