链霉素的发现及物理实验教学设计之我见

PAGEPAGE1链霉素的发现摘要：链霉素（streptomycin）是一种氨基葡萄糖型抗生素，于1943年由美国的瓦克斯曼发现。链霉素是继青霉素后第二个生产并用于临床的抗生素，也是第一个用于治疗肺结核的抗生素。此外，它对流行的结核杆菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、痢疾杆菌和杆菌等均敏感。本文主要介绍了两个方面的内容：链霉素的发现历程及其带给作者的思考。关键词：链霉素抗生素瓦克斯曼萨兹结核病结核杆菌

1945年，世界上第一种抗生素—青霉素被发现，弗莱明、弗洛里、钱恩三人分享了诺贝尔医学奖。但是青霉素对许多种病菌并不起作用，包括肺结核的病原体结核杆菌。肺结核是对人类危害最大的传染病之一，在进入20世纪之后，仍有大约1亿人死于肺结核，包括契诃夫、劳伦斯、鲁迅、奥威尔这些著名作家都因肺结核而过早去世。世界各国医生都曾经尝试过多种治疗肺结核的方法，但是没有一种真正有效，患上结核病就意味着被判了死刑。即使在罗伯特•科赫（RobertKoch）于1882年发现结核杆菌之后，这种情形也长期没有改观。青霉素的神奇疗效给人们带来了新的希望，促使人们在世界各地到处寻找新的抗菌物质。果然，在1945年的诺贝尔奖颁发几个月后，1946年2月22日，美国罗格斯大学教授赛尔曼•亚伯拉罕•瓦克斯曼（SelmanA.Waksman）宣布其实验室发现了第二种应用于临床的抗生素——链霉素，它对抗结核杆菌有特效。自此，人类战胜结核病的新纪元开始了。从某种程度上说，链霉素是其实站在青霉素肩膀上的发现。首先，青霉素让人们认识到微生物产生的抗菌物质的神奇；其次，青霉素也激发了作为人类的自信，认知发现与创造能力的无穷。自从潘多拉打开魔盒将灾难与疾病降临人间，人类就从未停止过抗争。而每一次的突破都是一块岩石，不断垒高，直指苍穹。弗莱明发现的过去，指导了现在瓦克斯曼的研究，也预见了人类对抗疾病的未来。和青霉素不同的是，链霉素的发现绝非偶然，而是精心设计的、有系统的长期研究的结果。和青霉素相同的是，这个同样获得诺贝尔奖的发现，其发现权也充满了争议。瓦克斯曼是个土壤微生物学家，他早就注意了杀菌物的研究。瓦克斯曼从前的学生杜伯斯（ReneDubos）分离短杆菌素的成功，使他从研究农业微生物转为对抗生素的研究。1915年他还在罗格斯（Rutgers）大学上本科时与其同事发现了链霉菌——链霉素就是在后来从这种放线菌中分离出来的。人们长期以来就注意到结核杆菌在土壤中会被迅速杀死。1932年，瓦克斯曼受美国对抗结核病协会的委托，研究了这个问题，发现这很可能是由于土壤中某种微生物的作用。1939年，在药业巨头默克公司的资助下，瓦克斯曼领导其学生开始系统地研究是否能从土壤微生物中分离出抗细菌的物质，他后来将这类物质命名为抗生素。瓦克斯曼领导的学生最多时达到了50人，他们分工对1万多个菌株进行筛选。1940年，瓦克斯曼和同事伍德鲁夫（H.B.Woodruff）分离出了他的第一种抗生素——放线菌素，可惜其毒性太强，价值不大。1942年，瓦克斯曼分离出第二种抗生素——链丝菌素。链丝菌素对包括结核杆菌在内的许多种细菌都有很强的抵抗力，但是对人体的毒性也太强。在研究链丝菌素的过程中，瓦克斯曼及其同事开发出了一系列测试方法，对以后发现链霉素至关重要。链霉素是由瓦克斯曼的学生阿尔伯特•萨兹（AlbertSchatz）分离出来的。萨兹分到的任务是发现链霉菌的新种。在地下室改造成的实验室里没日没夜工作了三个多月后，萨兹分离出了两个链霉菌菌株：一个是在仓库空地堆积废物土壤中分离的，一个是从鸡的咽喉分离的。这两个菌株和瓦克斯曼在1915年发现的链霉菌是同一种，它能够抵抗革兰阴性菌，但更令人兴奋的是它对结核杆菌有很强的抵抗作用。在证实链霉素的毒性不大之后的几个星期，梅奥诊所的两名医生开始尝试将它用于治疗结核病患者，效果出奇的好。1944年，美国和英国开始大规模的临床试验，证实链霉素对肺结核的治疗效果非常好。它随后也被证实对鼠疫、霍乱、伤寒等多种传染病也有效。与此同时，瓦克斯曼及其学生继续研究不同菌株的链霉菌，发现不同菌株生产链霉素的能力也不同，只有4个菌株能够用以大规模生产链霉素。1946年，萨兹博士毕业，离开了罗格斯大学。在离开罗格斯大学之前，萨兹在瓦克斯曼的要求下，将链霉素的专利权无偿交给罗格斯大学。萨兹当时以为没有人会从链霉素的专利获利。但是瓦克斯曼另有想法。瓦克斯曼早在1945年就已意识到链霉素将会成为重要的药品，从而会有巨额的专利收入。但是根据他和默克公司在1939年签署的协议，默克公司将拥有链霉素的全部专利。瓦克斯曼担心默克公司没有足够的实力满足链霉素的生产需要，觉得如果能让其他医药公司也生产链霉素的话，会使链霉素的价格下降。于是他向默克公司要求取消1939年的协议。奇怪的是，默克公司竟然慷慨地同意了，在1946年把链霉素专利转让给罗格斯大学，只要求获得生产链霉素的许可。罗格斯大学将专利收入的20％发给瓦克斯曼。三年以后，萨兹获悉瓦克斯曼从链霉素专利获得个人收入，并且合计已高达35万美元，大为不满，向法庭起诉罗格斯大学和瓦克斯曼，要求分享专利收入。1950年12月，案件获得庭外和解。罗格斯大学发布声明，承认萨兹是链霉素的共同发现者。根据和解协议，萨兹获得12万美元的外国专利收入和3％的专利收入（每年大约1.5万美元），瓦克斯曼获得10％的专利收入，另有7％的专利收入入由参与链霉素早期研发工作的其他人分享。瓦克斯曼自愿将其专利收入的一半捐出来成立基金会资助微生物学的研究。用现在流行的话来说，萨兹的这种做法破坏了行业潜规则，虽然赢得了官司，却从此难以在学术界立足。他申请了50多所大学的教职，没有一所愿意接纳一名“讼棍”，只好去一所私立小农学院教书。虽然在法律上萨兹是链霉素的共同发现者，但是学术界并不认帐。1952年10月，瑞典卡罗林纳医学院宣布将诺贝尔生理学或医学奖授予瓦克斯曼一个人，以表彰他发现了链霉素。萨兹通过其所在农学院向诺贝尔奖委员会要求让萨兹分享殊荣，并向许多诺贝尔奖获得者和其他科学家求援，但很少有人愿意为他说话。当年12月12日，诺贝尔生理学或医学奖如期颁给了瓦克斯曼一人。瓦克斯曼在领奖演说中介绍链霉素的发现时，不提萨兹，而说“我们”如何如何，只在最后才把萨兹列入鸣谢名单中。瓦克斯曼在1958年出版回忆录，也不提萨兹的名字，而是称之为“那位研究生”。此后瓦克斯曼继续研究抗生素，一生中与其学生一起发现了20多种抗生素，以链霉素和新霉素最为成功。而萨兹则从此再也没能到一流的实验室从事研究，1960年代初连工作都找不到，只得离开美国去智利大学任教。1969年他回到美国，在坦普尔大学任教。萨兹对链霉素的贡献几乎被人遗忘了。他是在退休以后才逐渐又被人想起来。这得归功于英国谢菲尔德大学的微生物学家米尔顿•威恩莱特（MiltonWainwright）。1980年代，威恩莱特为了写一本有关抗生素的著作，到罗格斯大学查阅有关链霉素发现过程的档案，第一次知道萨兹的贡献，为此做了一番调查，并采访了萨兹。威恩莱特写了几篇文章介绍此事，并在1990年出版的书中讲了萨兹的故事。此时瓦克斯曼早已去世，罗格斯大学的一些教授不必担心使他难堪，也呼吁为萨兹恢复名誉。为此，1994年链霉素发现50周年时，罗格斯大学授予萨兹奖章。在我看来，这与死后追赠英雄称号无异。如果不是与瓦克斯曼的争执，萨兹凭借着他的渊博学识及当初寻找链霉菌时执着认真的精神，也许能贡献更多，得到更多：或教书育人，桃李满天下，说不定弟子中有人再得诺贝尔奖；或勤勉研究，成果颇丰，说不定揭开医学史的篇章。为了分享专利，他因小失大。他的一生在我看来无疑是悲剧的，尽管他后来恢复了名誉，但大好的青春在怀才不遇和圈中人鄙夷的目光中流逝。当学术与金钱难舍难分，学术研究的纯洁性受到污染，这样的悲剧也是必然。不是所有人都能做居里夫人。亚里士多德曾说：吾爱吾师，吾更爱真理。罗格斯大学的一些教授由于担心使元老级人物瓦克斯曼难堪紧紧闭上自己的嘴巴，也是萨兹成为牺牲品的一个原因。我想尤其是在科学界，实事求是，追求真理的精神更不该泯灭。那么，瓦克斯曼是否侵吞了萨兹的科研成果呢？诺贝尔奖只授予瓦克斯曼一人，是否恰当呢？有学者认为：判断一个人的科研成果的最好方式是看论文发表记录。1944年，瓦克斯曼实验室发表有关发现链霉素的论文，论文第一作者是萨兹，第二作者是E.布吉（E.Bugie），瓦克斯曼则是最后作者。从这篇论文的作者排名顺序看，完全符合生物学界的惯例：萨兹是实验的主要完成人，所以排名第一，而瓦克斯曼是实验的指导者，所以排名最后。可见瓦克斯曼并未在论文中埋没萨兹的贡献。他们后来发生的争执与交恶，是因为专利分享而起，与学术贡献的分享无关。另一方面，链霉素并非萨兹一个人用了几个月的时间发现的，而是瓦克斯曼实验室多年来系统研究的结果，主要应该归功于瓦克斯曼设计的研究计划，萨兹的工作只是该计划的一部分。根据这一研究计划和实验步骤，链霉素的发现只是早晚的事。萨兹只是执行瓦克斯曼研究计划的一个劳力而已。换上另一个研究生，同样能够发现链霉素，实际上后来别的学生也从其他菌株发现了链霉素。瓦克斯曼最大的贡献是制定了发现抗生素的系统方法，并在其他实验室也得到了应用，因此被一些人视为抗生素之父。所以，链霉素的发现权应该主要属于实验项目的制定和领导者（也即导师），而具体执行者（也即学生）是次要的。这其实也是诺贝尔生理学或医学奖的颁发惯例，并非链霉素的发现才如此，其他获得诺贝尔奖的生物学成果，通常只颁发给实验的领导者，而具体做实验的学生很少能分享。而在萨兹加入瓦克斯曼实验室之前，瓦克斯曼实验室已在测试抗生素对结核杆菌的作用。这样看来，萨兹曾经的努力应该得到肯定，但是他要求分享专利和诺贝尔奖的要求就显得不合理了。做一位科学家需要的不仅是学识，更是精神风骨。抛开链霉素复杂纠结的专利争夺，反观他们的研究环境的提供者—大学，我们可以在中西的对比明显地看出差别。美国的科学发现有很大部分是在大学研究完成。大学成为了发明创造的温床。正如一位留学生所说：西方的大学里是浓厚的学术气氛，而我们是追求热门专业高绩点，为找到好工作孜孜不倦地努力。中国的大学缺乏书生气，需要去功利化。我们的大学可以静下心来聆听世界优秀大学的经验，认真思考未来的方向。同时，瓦克斯曼的发现在医学界也引起了重大反响。各国科学家将目光投向土壤，并有了新的收获。1947年发现氯霉素，1948年发现金霉素，之后又相继发现了土霉素、四环素、红霉素等。抗生素家族在不断壮大，人类征服疾病的能力有了极大的增强。瓦克斯曼1915年发现链霉菌是偶然，但是他抓住了这个机遇。一般说来，观察和实验总是在一定的思想和理论的指导下进行的，因而具有明确的目的性和计划性。但是思想、理论、目的和计划都是主观的东西，在认识的过程中，始终存在着主观与客观之间的矛盾。因此，在观察和实验中，意外的机遇总是大量存在。巴斯德曾说：在观察的领域中，机遇只偏爱那些有准备的头脑。如何做好准备，那是我们需要回答的问题。

参考文献：张庆柱，张一驰.发现结核杆菌和结核菌素。见:张庆柱，张均田著.书写现代医学史的巨人们.中国协和医科大学出版社2006年，39-43张庆柱，王韦玮.发现链霉素。见:张庆柱，张均田著.书写现代医学史的巨人们.中国协和医科大学出版社2006年，231-235LawrencePeter.Themisallocationofcreditisendemicinscience.Nature.2002；415(6874)：835-836WilliamKinstonStreptomycin,SchatzvWaksmanandtheBalanceofCreditforDiscovery.JornaloftheHistoryofMedicineandAlliedSciences.2004；59（3）：441-462刘学礼，战胜白色瘟疫的第一种抗生素。见：刘学礼著.诺贝尔奖百年鉴蛇杖生辉:临床医学与药物2001年,47-49物理实验教学设计之见解物理实验教学，一方面应该按教学的目的的要求造成一个特定物理环境，让学生置身于这个环境中，引导学生手脑并用和运用一切感官，通过思考，辨别物理现象中的主次、真假，从中形成正确的物理概念，认识和理解物理规律；另一方面是培养学生利用实验方法独立研究物理问题，从而获得新知识和把知识应用于实践的创造能力。要使物理实验教学达到以上目的，必须做好物理实验教学的实计。好的物理实验教学设计是提高物理教学质量的关键，是使学生学习物理化难为易的重要途径，是培养学生学习、研究物理能力的有效手段，甚至教材的深广度以及整体水平的提高都有赖于良好的实验教学设计。物理实验教学设计的含义物理实验教学设计应包括实验原理及其装置的设计、演示实验的演示过程的设计和学生实验指导书的设计。只有好的实验装置（哪怕是可以得到非常精确的结果），没有好的演示过程或恰当的学生实验指导，是不会收到良好的教学效果的，这两者相辅相成。显然，实验教学目的在于教学，它有别于科研人员以寻求某一结论为实验目的的实验。因而还必须具有教学的特点，所以物理实验教学设计应突出物理思想而不必过于奢求精确度，演示过程和学生实验指导书应突出引导和启发而不必过于具体地“抱着走”。（二）物理实验教学设计的理论指导1.用物理的科学知识、物理的思想方法来指导物理实验教学设计设计者本身首先要对物理概念的本质涵义有深刻全面的认识，对物理规律成立的条件及规律本身的物理意义和定量关系要非常明确。普通物理学和普通物理实验以及我们的课本，对概念的本质涵义的阐述及其揭露的思想方法、对对物理概念建立的实验基础及其分析推理，都是我们作为中学物理实验教学设计的主要依据和参考。它们会帮助我们尽可能不犯科学性错误，能使我们站得高一点，对物理概念、规律理解得正确、深刻和全面，所设计的实验就能够比较完美。2.以物理教学法的教学原则和不断更新的教学思想指导实验教学的设计这一点在设计演示过程和学生实验指导书时尤为重要。例如，应该如何使学生易于接受实验的思想方法；如何由表及里层层深入地进行实验；如何从实验操作和一切感官所获得的赶心感性认识，引导学生通过思考抽象得到物理概念的本质涵义；如何从所研究的物理过程中各物理量的关系，推理概括得到物理规律；着意在哪些环节启发引导学生的思维活动、培养实验操作技能和创造能力等，都需要我们学习和应用教育心理学、物理学发展史、教学法、创造学等，以不断更新自己的教育思想、改革教学方法，根据学生的认识水平和认识规律，按造教学目的来设计实验装置，设计好演示过程或学生实验指导书。3.用新的科学技术知识指导实验教学设计当前我们正处于科学技术日新月异、突飞猛进的时代，电子技术、电脑的应用日益广泛，为各个领域提供了很好的革新手段，因此我们也需要学习有关的应用技术知识，改革和创新物理实验教学手段，提高物理实验教学效率。实验教学设计应注意的问题1.演示实验教学的设计（1）选择宜于作演示的物理实验。一般书说来，定性的实验或无需精确读数测量的实验、测量数据较少或各物理量之间有比较简单关系的实验、现象比较明显或容易引起学生兴趣和调动学生积极性的实验，是比较适宜作为演示实验的。这是因为考虑到课堂上可以利用的是有限的，学生观察实验也受到限制，例如视线角度不同、远近不同等，一般演示用仪器的测量精度都较差，刻度也比较粗糙等。（2）着重考虑发挥演示实验对学生的示范作用。目前不少教师为了更好地培养学生的实验技能和独立研究物理问题的能力，把较多的演示实验改为学生实验，这就更突出地要求充分发挥好演示实验的示范作用。关键在于设计好演示过程中的启发、引导。例如，使学生明确实验目的、原理相应的思想方法、步骤；如何控制物理条件，使其能出现该实验所需的物理现象；在什么条件下测量哪些物理量；选择怎样的测量手段，数据记录表格设计等。在演示过程中必须严格地按仪器操作规范使用仪器，指导学生利用相应的感官获得感性的认识。在演示后启发学生思考，引导学生分析现象、处理数据、作出实验结论、进行误差及其原因分析等，并摘其重点做好示范。(3)演示实验要特别注意直观性。物理实验是测量的科学，所有的量具和测量仪器都是把各种量转化为人们感官所能直接感觉和鉴别的信息（包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等，其中视觉尤为重要）。例如，电流强度的大小，是通过磁电式仪表转化为指针偏转角的大小（当然还必须制定出大家公认的基准，而所有的测量都是与相应的基准作比较的）。所谓直观就是上述的“转化”的原理，应该是学生所熟悉的或易于为学生所理解的，或是学生已具有认识这一原理的知识基础的，应该有尽可能简单测量仪器或量具，有最简单的测试手续，有最简明的实验过程。根据上述对“直观”的理解，对高中学生来说，使用磁电式仪表来测量电流、电压，比之使用数字式仪表更显得直观，因为高中学生对于磁电式仪表的原理比数据式仪表的要清晰明了得多。(4)演示实验应充分重视可见度。“可见度”是泛指实验装置、实验过程中出现的物理现象，都能引起每个学生相应的感官有清晰的感觉。例如，实验装置的结构、线条、图形、仪表指针和刻度；伴随物理现象出现的声、光、气味等务必使每个学生都能感觉到，如电学示教板，应把导线连接展示清楚，线路简单的可固定于竖放的板面上，或在板后接线，而把完整的电路清晰地画在板面上；如果仪器不便装在竖放的板面上就应使用较粗的有鲜艳颜色的单支硬导线来作连接，并使之分布于空间中，从正面看过去互不重合，就能使学生看清楚每根导线的来龙去脉，对实验装置就有特别明朗的清晰感。我曾经遇到过有几位座位较后的学生，用望远镜来观察我做的演示实验，这是对我做的演示实验“可见度”的一个讽刺也充分反映学生要求看清楚演示实验出现的物理现象的心理和珍惜每个演示实验的精神。2.学生实验教学的设计(1)定量性较强的、需要作精确测量的、测量次数较多的实验，或原来的某些演示实验，宜作为学生实验。一是学生实验仪器的刻度比演示仪器好，学生宜于得到比较准确的数据；二是由学生亲自控制进行实验，在什么条件下得到哪些数据，在什么条件下某些量之间是怎样相互影响、依存和制约的，自身亲历其境，宜于深刻理解物理概念的物理意义或物理规律的适用条件；三是学生有较多的操作训练机会，有利于培养学生实验的技能技巧。(2)学生实验指导书应写清楚实验目的、原理、装置、方法和步骤，给出分析处理数据的方法和要求，提出做完实验后值得思考的问题或对实验的一些扩展。如果实验中用到学生未使用过的器材，或是已使用过但属于不同用途或对仪器扩展使用等，都要对学生交待清楚，或提供它的说明书。对于高中学生，以上内容在实验指导书中不必分开栏目来写，但要求学生在预习时能按这些栏目写出实验报告初稿，其中还应有学生自己设计的实验数据记录表格，在学生对整个实验有全面的理解、心中有数的情况下，才能主动地进行实验。(3)学生实验装置宜给出元器件发、仪器，由学生本人组装成实验装置，而尽可能不用已按实验要求组装成套的教具。在中学阶段应该创造更多的机会让学生以脑指挥手，得到手脑并用的正确训练，不宜包办代替。那些惟恐学生组装不了，惟恐他完成不了实验，都替他把装置装好，甚至做成一个整体的仪器，只需他扳几次开关，读几个数据就做完实验的做法实际上是误了学生，切不可取。实验装置、教具的设计、改革和创新1.教具就要突出“教”的特点，他有别于生活用品、生产工具。例如，做个电话机原理说明器的教具，只把常用的电话机的话筒和受话器拆出来，接了线还不够，因为还有话筒和受话器的原理要说明，所以话筒和受话器的外壳应该是透明的。让学生看清楚它的构造才能达到这个“教”的目的。2.优先考虑使用基本的通用仪器、器材来组装实验装置，以充分发挥现有仪器、器材的作用，增加学生对各种仪器的使用次数，从而更熟悉它们的操作和培养创造性地使用仪器、器材的能力。例如，应用音频发生器和电磁打点计时器可做成水波实验（如波的干涉、衍射等）中的可调频