巴斯德  

【國際愛心人物】

巴斯德—打下人類第一針狂犬疫苗的微生物學之父(上)

侯忠貞 編譯

  路易‧巴斯德(Louis Pasteur 1822-1895),出身法國東南部的製鞋家庭,父親沒有受過什麼教育,但娶了一位賢淑的妻子,在清寒的生活環境中,培植巴斯德受到良好的學校教育。

  巴斯德1846年畢業於巴黎高等師範,他曾任里耳大學、巴黎高等師範教授和巴斯德研究所所長。在他的一生中,曾對同分異構現象、發酵、細菌培養和疫苗等研究取得重大成就,從而奠定了工業微生物學和醫學微生物學的基礎,並開創了微生物生理學,被後人譽為「微生物學之父」。他將實驗化學的原理、技能等廣泛地應用於發酵問題,奠定了現代實驗生物技術,從而開闢了人類科學歷史的新紀元。

  他否定自然發生說並倡導菌原說,發明預防接種方法,亦是第一位發明狂犬病和炭疽病疫苗的科學家。被世人稱頌為「進入科學王國的最完美無缺的人」,被視為細菌學之祖。他把整個醫學邁進了細菌學時代,得到了空前的發展,人們的壽命因此而在一個世紀裡延長了30年之久。

鞋匠家的小畫家

路易‧巴斯德1822年12月27日出生於法國東部侏羅省的小城杜耳。巴斯德的祖父和父親從事皮革業。拿破崙在位時期,巴斯德的父親約瑟夫‧巴斯德應召入伍,在一次戰役裡英勇克敵,得到榮譽大十字勳章。帝國崩潰,約瑟夫悲憤退役回鄉。不久,約瑟夫與隔河朝夕相望的女子結成連理,搬到不遠的小城杜耳。他們夫婦生了2男3女,路易‧巴斯德排行第3。

1827年,巴斯德家搬到了阿波瓦市,一家人住在一間蓋在染革池上的房子裡。

巴斯德6歲上小學,那時還看不出他對科學有特別的喜好或天分,反而對繪畫很感興趣。他的人物畫取材廣泛,家人、朋友、木匠、修女、馬車夫、街頭老叟等都是描繪的對象,這使他成了街坊和學校間有名氣的小畫家。

晚上,巴斯德和姐妹們最喜歡聽父親說戰場上的英勇故事,他們的愛國心就是這樣培養起來的。

目標巴黎高等師範 

稍微長大後,巴斯德的功課有了重大的進步,尤其是科學方面。他就讀於阿波瓦市的師範中學,校長羅曼力是父母的朋友,他用各種方法來啟發巴斯德,鼓勵他投考巴黎著名的高等師範大學。初中畢業後,羅曼力安排巴斯德就讀巴黎拉丁區的大學預備學校。

1838年10月,未滿16歲的巴斯德就和他的同學兩人一起搭馬車前往巴黎。第一晚,巴斯德躺在床上想家失眠了,父親於是把巴斯德接回家。

回家後,巴斯德重拾畫筆,畫了很多他認識的人的畫像。他還到鄰近大城的大學先修班繼續學業,他申請擔任數學的義務教師,逼著自己克服數學。學期結束時,他數學成績第一,還在拉丁文、物理和繪畫等學科取得優異的成績。1842年拿到科學文憑幾天後,他以第18名的成績考取了高等師範。他不滿意,再回到拉丁區的寄宿學校準備重考。1843年底,他的課業有了傲人的表現,物理第一,更以第四名如願考取了高等師範。

快樂的大學生活

1843年10月,巴斯德入學高等師範,主修物理及化學。他每逢週四就到寄宿學校義務教物理。

巴斯德孜孜不倦埋首於教室和窄小實驗室。實驗室的工作有時包括學術之外的工作,如燒製玻璃棒、燒瓶等,巴斯德都用心去做。課堂上學來的知識,他都要用實驗來驗證。他整天埋頭在實驗室裡,因此被稱為實驗室的蛀蟲。

巴斯德主修化學,最大的樂趣是聽中央理工學院創辦人之一仲馬的化學課,一有空,他就去仲馬的實驗室跟其助理做實驗。仲馬啟發了巴斯德對化學的興趣,仲馬的實驗方法和治學態度,影響了巴斯德的一生。

1846年,巴斯德從高等師範畢業,並通過了物理教授資格考試。靠著年輕時發現溴元素的巴萊之幫助,巴斯德留在高等師範,在巴萊的實驗室一方面當助手,一方面成為博士班研究生。

1847年,巴斯德論文獲通過,取得理學博士學位。他陸續擔任過物理和化學課程的教授工作。

分子不對稱理論

在大學時代,巴斯德受到德拉佛斯老師的影響,開始對分子物理產生濃厚的興趣。當年,很多化學家從事於酒石酸的研究,巴斯德對此也十分感興趣,認為晶體的研究是「有用的科學」。

釀酒業有時在釀造過程中,不知何故會產生一種叫類酒石酸的物質,使業者蒙受重大損失。巴斯德喜歡喝酒,他的名言是:「酒的味道像精緻的詩。」他選擇酒石酸鹽當研究題材。其實在發酵桶槽沉積的不只酒石酸,還有類酒石酸,兩者的分子式成分相同!但兩者溶液的特性大不相同,「極化光」通過酒石酸溶液時會產生右旋光,通過類酒石酸溶液則什麼事也不會發生。為什麼分子式相同的化合物會有截然不同的光學特性?

巴斯德直覺認為它們結晶的結構有可能不同,然後用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類結晶。細心的觀察結果發現,酒石酸鹽類結晶有一面較長,不是完全對稱的,也因此通過酒石酸溶液的極化光會產生右旋現象。

他接著假設,類酒石酸鹽類晶體應該是對稱的,也因此通過類酒石酸溶液的極化光才不會改變。然而當他將類酒石酸鹽類結晶挑出來觀察,卻赫然發現類酒石酸鹽類結晶和酒石酸鹽類結晶一樣,都有一個較長的、不對稱的晶面。

他更大膽假設:某些結晶較長的晶面在左邊,某些結晶較長的晶面在右邊,只有這樣,才可能解釋為什麼類酒石酸鹽類結晶具有不對稱的晶面,卻沒有光學活性。

巴斯德興奮的重新檢視類酒石酸鹽類結晶。果然,他發現類酒石酸鹽類結晶有二種,其中有些晶體較長的晶面在左邊,另外一些則在右邊,就像左手和右手。當他把所有較長的晶面在左邊的晶體挑出、溶解,然後將溶液通過極化光,即產生左旋現象;而若將所有較長的晶面在右邊的晶體挑出、溶解,然後將溶液通過極化光後,即產生右旋現象。換句話說,類酒石酸溶液不具有光學活性,是因為它是二種晶體的混合物。他終於證實了酒石酸有左旋右旋之分及內消旋體外消旋體的現象,進而提出了分子不對稱理論。

這項傳奇的發現,成為科學研究者討論的熱門話題。謹慎的化學老前輩結晶學權威畢奧決定親自重複檢視這個實驗。當他最終獲得相同的結論,激動地對巴斯德說:「親愛的孩子,我這一生熱愛科學,這個結果撼動我的心。」從此,畢奧屢屢給予巴斯德實驗上的建議,也成為他重要的良師摯友。

1847年,年僅25歲的巴斯德發現了「旋光性原理」,這種旋光性的發現對許多不對稱分子的研究,做了一個重大的進展,對結構化學的發展具有重要影響。

史特拉斯堡的好姻緣

1848年2月,法國爆發2月革命,巴斯德參加護國軍。革命戰爭結束,巴斯德回學校跟著巴萊繼續做研究。5月,他的母親去世了。

巴斯德很想繼續在學校研究,可是他已畢業了,11月初被分派到第戎高中教書,有點適應不良。巴萊和畢奧向教育部交涉,巴斯德終於被分發到東北部的史特拉斯堡大學當化學教授並研究晶體。

1849年1月15日,巴斯德來到史特拉斯堡上任,這裡不僅有美好的研究前景,並娶了賢慧的校長女兒為妻。

校長的女兒瑪莉年輕、開朗、美麗而賢淑。 巴斯德見了瑪莉兩次面後,心中燃起了愛慕之情。他寫信回老家請父親馬上來向校長提親。羅蘭夫婦後來決定讓「兩人先交交朋友」。

巴斯德馬上寫信給瑪莉表達心意,瑪莉在收到第一封信時,就決定接受巴斯德的愛了。5月29日,有情人終成眷屬,兩人在史特拉斯堡的聖瑪德烈教堂舉行婚禮。巴斯德夫婦共有過5個子女,只有2個活到成年,而其餘3個死於傷寒。

製造類酒石酸

婚後,巴斯德重又投入對結晶化學的研究。他一直想從酒石酸製造出類酒石酸,但始終沒有成功。他跑遍普魯士幾個城市,還有維也納、布拉格等地賣力的追尋還是失望而返。

回國後,巴斯德更加緊嘗試製造類酒石酸。他長期在心中思考著,是什麼力量在晶體形成中,決定了分子的左右結構?他耐心觀察各種不對稱晶體的結晶過程,終於使他悟出了晶體的結晶過程,製成了類酒石酸。

1853年6月1日,巴斯德拍電報告訴畢奧,他已把酒石酸轉合成類酒石酸;並寫信告訴父親,他已完成他一直認為不可能的事,這項發現將帶來無以數計的結果。巴斯德發現酒石酸和類酒石酸的關係、旋光性的秘密,到類酒石酸的合成。藥物學會給他一筆獎金,他也獲得法國最高榮譽的大十字勳章。

創始微生物論

1854年9月,巴斯德升任里耳大學理學院院長兼化學教授,一家五口搬到里耳。里耳是法國北部的工業都市,盛產甜菜可製糖,而甜菜糖便是製造酒精的材料。

他在新建的大禮堂發表就任演說時強調,大學必須努力使學問和里耳這裡的工業相連結,理論和實用並重,這樣才能對國家和社會都有貢獻。

1856年的一天,里耳大學一位經營甜菜糖工廠的大學生家長,因為甜菜製造酒精的過程不太順利,到學校拜訪巴斯德,請他到工廠察看是什麼原因。

巴斯德從酸奶的發酵開始研究,每天觀察酸奶發酵的過程,仔細記錄和描繪,發現有一些比酵母菌還小的物體,一堆堆藏在灰色的泡沫裡。這些微細的物體逃過了許多科學家的眼睛,終究還是被巴斯德發現了。他把這些灰色泡沫分離出來,然後撒在牛奶裡,他發現牛奶開始發酵了。他得到結論,微細的物體就是發酵的因子。

1857年8月,巴斯德在里耳就乳酸發表了一篇劃時代的《關於乳酸菌的記錄》,是微生物學界公認的經典論文。他認為微生物的生長才是發酵的原因,且不同的微生物引起不同的發酵。這份報告至今還被認為是生物科學的里程碑。

巴斯德創始了微生物論,揭開了發酵的奧秘,他終於成為一位偉大的微生物學家,微生物學的奠基人。從此,自然界中許多現象都得到了解釋,醫學上更是獲益很大。

發表這篇報告後,巴斯德應邀回母校巴黎高等師範擔任行政長及理學院院長,里耳大學在歡送詞裡說:「我們學校失去了一位頂尖的教授和科學家。」

10月,他回到百廢待舉的巴黎高等師範,學校分配一間閣樓上的小儲藏室,給他當實驗室。而他的妻子瑪莉也一直用功進修,如今已能替他整理研究筆記。

1859年9月,巴斯德的大女兒珍妮因罹患傷寒,病逝於家鄉阿波瓦市。翌年初,巴斯德獲得法國科學研究所頒發生理實驗獎,表揚他在酒精、乳酸、酒石酸發酵方面的研究貢獻。

推翻自然發生論

發現了酵母菌、乳酸菌,這是以前的人不知道的,但這些小東西是從那裡來的?古老的傳說認為破布可悶出小老鼠、腐草生螢的傳說,說明許多生命是自然產生的。

當時在歐洲知識份子中,流行的是「自然發生論」,認為生命可以由沒有生命的物質中自然產生,而達爾文進化論中的「物種起源」,更被「自然發生論」擁為經典。巴斯德力排眾議,堅決反對。他相信生命是神所創造而非自然產生的。

巴黎科學界籠罩在熱烈的爭論氣氛裡,巴斯德一心想為這個紛擾多年的問題找出解答。

他準備了一大批玻璃瓶,每瓶裝有250毫升的培養液,煮沸殺菌,逐出瓶內的空氣,然後把瓶口燒熔密封,保持無菌狀態。他到不同地方採集空氣,再將瓶頸燒熔封住,帶回實驗室。他收集空氣的地方,有巴黎天文台的地下室、阿波瓦市自家染革廠附近、往杜耳城的沿路上。染革廠和杜耳城空氣沒那麼乾淨,瓶裡幾乎都長吃細菌。

他更帶33個瓶子上阿爾卑斯山區,打破瓶頸。第一天封口時風很大,13個瓶子帶回旅店當然混有路上的灰塵及店內的空氣;第2天,他帶著剩餘的20個瓶子,在一條冰河上完成了實驗。實驗結果證明了巴斯德的假設,第1天的13個瓶子全都長出了細菌,而第2天的20個瓶子只有一個有細菌。巴斯德說,空氣中若有生命力,所有打開過的瓶子裡都應該長出細菌來。

鵝頸瓶立大功

巴斯德靠著鵝頸瓶實驗,打敗自然發生論,這個實驗在科學界應可和伽利略在比薩斜塔做重力加速度的實驗齊名。

巴斯德用鵝頸瓶做實驗,把脖子燒軟,彎下來像橫放的S型,再將培養液注入,煮沸後每天觀察有無微生物在生長。這種儀器可讓空氣自由進出,但外界的灰塵和所夾帶的微生物經過鵝頸下端的一段就會沉積下來,所以瓶內的液體永遠處於無菌狀態,不會腐敗。這部分的實驗,足可證明空氣中沒有生命力。又為了證明液體在高溫後仍能支持微生物生長,巴斯德把鵝頸瓶傾斜,讓液體流到塵埃和微生物聚積的下彎部位,再將液體倒回瓶中。於是微生物開始生長,培養液變得混濁。在重覆多次實驗後,得到的結果證實生物必須來自生物,無法無中生有。

巴斯德得到的結論就是,在生命力可以自由進出的情況下,培養液仍保持新鮮,沒有育出生命;直到接觸了鵝頸瓶下彎處的灰塵,生命才會出現。這個簡單卻強有力的示範,致命的重擊了自然發生論。科學研究所把2,500法郎獎金頒給了巴斯德。

1864年4月7日,巴斯德在巴黎大學索邦學院發表演講,他在來賓面前展示兩個鵝頸瓶,一個培養液完好如初;另一個接觸了鵝頸底部的灰塵,培養液已腐敗並長出了各種細菌。他的結論就是自然發生論不能成立。他接著強調人類已看到了科學帶來的曙光,可以用科學實驗的方法求得所有問題的答案。

巴氏消毒法

當時,法國的啤酒、葡萄酒業在歐洲很有名,但酒常常會變酸,整桶的芳香可口啤酒,變成了酸得讓人不敢聞的粘液,只得倒掉,酒商叫苦不已。

1863年,法國皇帝拿破崙3世接見巴斯德,希望巴斯德能解決酒會變酸這個難題。巴斯德事後寫道:「我向陛下保證,我有發掘物質腐敗和傳染病成因的雄心。」

巴斯德和助手們著手尋找酒會變酸的原因,他們得知酒變酸是細菌將酒精氧化為醋酸。但要怎麼殺死細菌呢?他們花了很多時間,嘗試不同的溫度,發現將酒加溫到攝氏50度到60度之間幾分鐘細菌便會被殺死,且不會影響酒的色、香、味。

他們對這個發現非常滿意。但全世界最挑剔的法國品酒專家認為這種用「煮」的酒一定不會放越久越醇。他們組織起酒的「選美活動」。他們蒙著眼睛品嚐各種煮過和未煮過的紅酒,結果不相上下。他們還把酒送上遠洋帆船10個月,另一批酒送上船環遊世界一周,結果煮過的酒和未煮過的酒都能隨時間而醇化。這種低溫消毒方法不但對酒可行,對牛奶、乳酪、蘇打及各種飲料和食物也都適合。通常,我們喝的袋裝牛奶就是採用巴氏滅菌法生產的。工廠採來鮮牛奶,先進行低溫處理,然後用巴氏消毒法進行滅菌。用這種方法生產的袋裝牛奶通常可以保存較長時間。

這是食品工業的大革命,巴斯德使釀酒工業走上科學之途。知道如何控制酵母菌,使酒的產量大增,也使酒的風味醇美。後來,法國就是依靠酒業驟增的收入,才得以清償巨額的戰債。

光是「巴斯德滅菌法」這項成就,巴斯德就足以成為偉人,因為在天花肆虐世界時,有很多人是因為喝下病牛的牛奶才染上天花的。

1862年,巴斯德當選為法國科學院院士,實現恩師畢奧長期以來的願望。巴斯德滅菌法,沒有申請專利,而把它公開了。他認為利用研究結果獲利是學者的恥辱,這種信念,終其一生都沒有改變。

克服蠶病

1860年代,歐陸的蠶都感染了疾病,法國蠶絲工業同遭厄運。全國3千6百個市長、議長、及養蠶業者上書上議院求助,因而成立了一個研究蠶疫的委員會。巴斯德的老師仲馬擔任委員會主席,仲馬挑選巴斯德去迎戰這個棘手的難題。

巴斯德先搜集蠶的資料,學到蠶從幼蟲到結蛹產卵而亡的整個過程。他1865年7月前往疫情嚴重的仲馬家鄉阿拉斯市,他瞄準病蠶身上有黑斑的胡椒病。

巴斯德盡量聽取他們對疫情的描述,並詳細記錄下來。他在阿拉斯市設立實驗室,用顯微鏡觀察健康和生病的蟲、蛾之間的微細區別,詳細觀察蠶身的斑。一時的靈感使他覺得可能是微生物所引起,於是他想出了選卵法,用顯微鏡觀察蛾,銷毀所有具病徵的蛾及其所產的卵,留下健康的蛾所產的卵作為下一季之用。

到阿拉斯市的第3年,他設了10個顯微鏡供人使用,他的實驗室也替人檢測。如此,相信選卵法的人越來越多了,胡椒病的問題似乎已過去。

然而,實驗室附近的一個蠶農來自日本的健康蠶種也發病了,巴斯德到養蠶場觀察,發現養蠶架上層的飼料和糞便會漏到下層,健康的蠶遲早會受到傳染。巴斯德又發現了糞便是感染源的理論。

接著,又有一批健康的蟲卵無法孵出健康的幼蟲,牠們身上沒有黑斑,但身體肥軟病態,相繼死去。巴斯德多方研究後,在顯微鏡下看到了螺旋狀菌,他豁然省悟那就是別人研究過的腸管病。胡椒病和腸管病危害蠶體的情形非常普遍,使得疫情更為複雜。

巴斯德再次投入新的奮戰,終於得到滿意的結論,那就是蠶的感染從腸胃病開始,變成蛹後,螺旋狀菌就存在於消化系統及其後的蛾體內。他建議蠶農用細鉗子取出下過卵的蛾的腸胃,加點水放到顯微鏡察看,沒螺旋菌的蛾就是健康的蛾,所下的卵可留作來年之用。巴斯德告訴人們消滅蠶病的方法很簡單,通過檢查淘汰病蛾,遏止病害的蔓延,不用病蛾的卵來孵蠶。這個辦法挽救了法國的養蠶業。這項成果尤其難能可貴,因為這段時期,巴斯德強忍著親人接連去世的悲痛在為養蠶業奮鬥。

家庭大變故

巴斯德抵達阿拉斯市研究蠶病的第9天,他的父親就生病了,等他趕回家後父親已去世。他把父親埋葬在姊姊珍妮的墓地旁,然後匆匆趕回阿拉斯市。他一直忙到3個月後的秋初才回到巴黎,才2歲的女兒卡梅兒也生病了,巴斯德每晚守在病榻照顧,仍無法挽回她幼小的生命。

次年,1866年春天,巴斯德在阿拉斯市,然後到附近的山麓彭迪克斯設立研究室,瑪莉也帶著女兒西施和露姿隨後從巴黎出發。母女3人離開巴黎的途中,西施患了傷寒,病倒在旅途中。巴斯德趕去探望後不久仍告不治,年僅12歲。

一連串的打擊,使巴斯德數度想束裝回巴黎,賢慧的妻子瑪莉鼓勵他繼續研究下去,為了去世的西施,更要堅強下去。於是巴斯德又振作起來了,瑪莉帶著三女露姿隨巴斯德到彭迪克斯的養蠶研究室。後來,他搬入離阿拉斯市不遠的山腳下一幢寬廣的住宅。

家庭變故後,總算有了好消息。1867年5月的萬國博覽會中,巴斯德滅菌法獲得傑出獎。在經歷一個大學潮後,巴斯德失去了高等師範師範科學部主任的職位,到巴黎大學擔任化學教授。

※本文摘選自《愛心世界季刊‧2014春季號028期》

    全站熱搜

    吳尊賢基金會 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()