科學家的時空背景

「為什麼有些事情只有生命體才能做的到?」19世紀前期,有兩大派科學家以不同的觀點解釋,其中一種是生機論,這些科學家相信生命體之所以可以進行「活著」這些事情是仰賴一種稱為「生命力」的力量進行,這個觀念自希臘時期亞里斯多德就提出,所有活著的生物都具有生命力,以達到非生命做不到的。生命力的概念就像是現在說的靈魂,生機論主張,人可以呼吸是仰賴生命力,生物可以繁殖,是仰賴生命力,任何一切只有生命體可以做到的都可以用生命力解釋。

另外一派,是機械論,機械論主張,生命與非生命都遵守物理化學理論進行,生命並不是例外,就像是一個機械一樣運轉。

科學家的經歷

19世紀前期,人們習慣以生命力解釋一切可以在活體發生,卻不能在實驗室重現的現象。過去人們一開始不了解食物腐敗的原因,一直到19世紀許旺觀察到在腐敗的食物附近都能找到微生物,發現腐敗食物是由微生物引起的,因此必須要透過生命才會有腐敗(發酵也算是其中之一),因此這類跟微生物有關的反應被認定為生命力作用,沒有生命力是無法腐敗的。因此19世紀微生物學家巴斯德描述過,酵母菌擁有將糖轉換成酒精的能力,稱為發酵作用(fermentaiotn),依據生機論酵母菌可以透過生命力進行發酵作用將糖轉換成酒精。但隨著時間經過,生機論愈來愈站不住腳,19世紀中期,烏勒合成出尿素,以往人們認為尿素是生命體中特有的物質,是仰賴生命力合成,在沒有生命力的條件下是無法被製造的。 但在實驗室合成後,生機論開始受到懷疑,而像是腐敗(發酵)這類的生命的現象還沒有找到生命力以外的解釋,成為了生機論學者最後一到防線。

在生機論與機械論爭吵不休的19世紀前期,1860年布赫納在一個書香家庭出生,布赫納的父親是慕尼黑大學的教授,而他哥哥漢斯則是微生物學家。早年時,布赫納原本是被家庭安排成為商人進行培訓,但在父親死後,漢斯決定讓布赫納接受基本教育。少年時期的布赫納,就是一位斜槓青年,布赫納非常積極努力,18歲時他在慕尼黑大學就讀,之後同時在慕尼黑工業大學的化學家埃倫邁爾底下實習,實習結束後轉去參與真菌相關的研究,然後又跑去罐頭工廠工作,可以說是時間管理達人。

圖一,布赫納在1907年獲得諾貝爾獎時的照片 (圖片來源: <Centenary of the Award of a Nobel Prize to Eduard Buchner, the Father of Biochemistry in a Test Tube and Thus of Experimental Molecular Bioscience>)

圖二,布赫納的哥哥,漢斯1907年與布赫納一起接受諾貝爾化學獎的照片(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Ernst_August_Buchner)

在結束真菌相關的研究後,布赫納於1884年拜諾貝爾化學獎得主拜耳為師,然而在拜耳眼中,他對於布赫納的努力並不讚賞。一年後布赫納發表一篇關於發酵相關的論文〈氧氣對發酵的影響〉(the influence of oxygen on fermentations),1888年布赫納得到了慕尼黑博士學位,1891年成為史上第一位合成咪挫(pyrazole)的人,由於他豐富的經歷與實力布赫納成為發酵化學(The Chemical Processes in Fermentation)的認可講師,1893年正式在基爾大學(University of Kiel)擔任講師,1896年在蒂賓跟大學擔任特聘教授,而哥哥漢斯則是做免疫相關的研究,在1897年漢斯準備分離細菌中免疫相關的蛋白質時,布赫納與漢斯發現了一件令人驚訝的現象。

布赫納的哥哥漢斯為了萃取酵母菌細胞內的蛋白,要把酵母菌磨碎,依照巴斯德提過的,活著的酵母菌會藉著生命力進行發酵作用。漢斯與布赫納發現磨碎酵母菌後,發酵作用應該停止,但發酵作用卻繼續進行,一開始漢斯以為酵母菌只是破碎但可能沒有完全死亡,磨碎的酵母菌還具有生命力漢斯使用當時已知毒性很強的甲苯及砷酸來確保酵母菌必定死亡,也就是失去生命力。

科學家發現的問題

然而,漢斯與布赫納發現,在加入甲苯與砷酸後酵母菌必定死亡後,出乎意料的是即使酵母菌死亡了,但發酵作用還是沒有停止,可以看到含糖的酵母菌萃取液依舊在冒泡,這個現象有違他們認知的「生機論」。因為根據生機論以及巴斯德的理論,發酵作用是仰賴生命力才能進行,酵母菌死亡後沒有生命力的狀態下發酵作用卻沒有停止,讓漢斯與布赫納感到意外。

科學家的聯想與假設

布赫納聯想一定存在什麼物質不需要生命力就可以將醣類轉換成酒精與二氧化碳,想到屈內曾提過有一種無生命的物質:酵素,可以將物質進行化學轉換,而當代相信酵素通常進行的化學轉換是水解(如胃蛋白酶消化蛋白質),像是18世紀的培恩,發現了第一個酵素,澱粉催化酶(diatase)的存在:培恩發現麥芽的萃取物能把澱粉分解成其他物質,將這個現象歸於一種名為澱粉酶的物質。依據這個線索,布赫納發現培恩在麥芽萃取物中能分解澱粉與在酵母萃取液能做發酵作用有幾分相似。他假設,酵母菌會透過不需要生命力的酵素進行發酵作用,因此即便酵母菌死了發酵作用也可以繼續進行。另外,關於酵素的特性,在1894年埃米爾·費歇爾(Emil Ficher)利用糖解酵素,也就是專門分解糖的酵素,與不同種類的糖:這些糖擁有相同的化學式,但結構不同,發現明明都是糖,但這些糖解酵素加入甘露糖可以將糖轉換成二氧化碳跟酒精,但加入其他的糖像是半乳糖卻不行,他提出了鎖鑰理論,人們在這時知道,酵素具有專一性。

圖三,用來磨碎酵母菌的裝置(圖片來源:https://steemit.com/steemstem/@alexander.alexis/eduard-buchner-the-man-who-killed-vitalism)

科學家的驗證方法與結論

布赫納依照他所了解的酵素性質針對酵母萃取液做實驗,首先他依照他認知的酵素相關的化學原理,嘗試得到能進行發酵作用的無生命物質並確認其是否為酵素。他沉澱磨碎的酵母萃取液,並乾燥沉澱物以分離出酵母菌中進行發酵作用的無生命物質。得到這些無生命物質後,為了測試這些無生命物質是否真的是酵素,布赫納將粉末再度溶於蔗糖水中觀察發酵作用是否會進行,蔗糖水過了一段時間開始冒泡泡,這證明了發酵作用依舊能持續進行。

圖四,文獻提到布赫納利用抽風乾燥得到粉末,文獻沒有附圖,但可以推測是用布氏漏斗進行,布氏漏斗為布赫納的發明(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%83%E6%B0%8F%E6%BC%8F%E6%96%97)

從亞里斯多德時期開始,關於很多無法解釋的生命現象,人們都以生命力解釋的想法。隨著科學進步,如原本以為只有生命力的生物才能合成出的「尿素」被合成後,人們開始修改原本以生命力解釋的現象,人們開始發現大部分生命相關的也是符合物理與化學反應,但少部分如發酵作用仍然無法以物理化學來解釋。

但是從實驗結果,布赫納提出發酵作用並不是靠生命力,而是靠非生命的酵素進行,布赫納將這個酵素稱為「酒精發酵酶(zymase)」。這證明了發酵作用其實不是利用「生命力」進行的,就算是非生命的酵素也能做到。無生命能進行發酵作用的發現,改變了人們對生命力的想法:生物體並非依靠虛構的生命力維持生命,而是與其他自然界一樣,能被科學解釋。所以在布赫納發現發酵作用其實不是仰賴生命力,而是酵素之後,生機論最後一道防線終於被突破!

科學家造成的影響

布赫納剛提出發酵作用其實是仰賴非生命的酵素這個理論時,引起當代科學家的議論,畢竟這項觀點離一般人的認知非常遙遠,各路科學家重複他的實驗,發現布赫納的實驗沒有再現性,並提出反駁,然而布赫納重複自己的實驗卻能再現,當代許多科學家認為既然只有布赫納可以再現,那就明顯表示,是他的技術有問題,但現在知道布赫納可以成功是由於布赫納對於實驗方法的掌握:一般來說很多科學家乾燥粉末的方式是加熱乾燥,但是布赫納採用抽風乾燥。而為什麼方法差異會影響實驗結果這麼多,這個解答一直到1930年諾思羅普.約翰,發現酵素的本質是蛋白後,由於世人知道許多蛋白會加熱後就失去原本的特性,就像雞蛋煮熟就無法變回加熱前的樣子,所以以現在的角度來看,當時科學家以加熱乾燥的做法會失敗,是因為高溫會使蛋白質變性而失去功能,這也是為什麼使用抽風乾燥的布赫納可以在分離酵素後,不會因為加熱讓蛋白質變性,因此酵素依舊可以進行發酵作用的原因 。而蛋白質同時對酸鹼敏感,這也能解釋為什麼有些酵素一但離開適合的pH值就無法作用。但當時的人對酵素不夠理解,因此懷疑布赫納,巴斯德就是其中一員(畢竟自己的理論被反駁了)。他認為布赫納實驗做不好,可能是後來有汙染了活的酵母等等。但也有一部分科學家認為雖然自己不能再現布赫納的實驗,布赫納的理論很有趣,只是自己可能做不出來。

雖然受到多數人的質疑,布赫納沒有放棄還是到處宣揚他的理論,直到1898年Lange利用過濾的方式,由於酵母菌若未被磨碎徹底應該是不能通過濾膜的,通過濾膜的濾液能進行發酵作用,才又幫布赫納扳回一城,風向開始往另一面倒,甚至某些曾經否定布赫納的技術的科學家,反過來請教布赫納是怎麼做實驗的。布赫納的理論突破古老的生機論,立下生物化學發展的基礎,帶給人們解釋生理作用的科學觀點,並且能實際找出進行化學作用的物質,酵素,讓人們從生命中的化學反應、生命現象仰賴生命力的生機論,轉而更加相信生物中的化學反應皆是來自於有酵素轉換,符合物理化學的機械論,其貢獻使得布赫納於1907年拿下諾貝爾化學獎,但其指導教授,拜耳依舊沒有對布赫納改觀,當拜耳得知布赫納得到諾貝爾化學獎,只說出:「布赫納得諾貝爾獎,能為他帶來名譽,即便如此他還是個沒有化學才華的人」。1917年由於第一次世界大戰的關係,布赫納被徵召上戰場而重彈死亡,那時的他57歲。

人們在知道布赫納的研究後,不再以生機論解釋生理作用,而是以細胞內存在酵素來解釋生物體中物質的轉換(如DNA的合成來自DNA聚合酶),開啟後續科學家的新研究方向,生物化學。但關於酵素的本質是蛋白質這件事情一直到1930年約翰·諾思羅普與溫德爾·斯丹里透過當代的科學方法──將胰蛋白酶進行蛋白質純化與結晶,證實了酵素本質是蛋白質的事實。布赫那之後,科學家開始尋找細胞內負責不同現象的酵素。現在我們熟悉的細胞內的各種反應,如有氧呼吸的克氏循環由柯瑞普斯(Krebs)於1937年發現,長達一世紀以來的大發現,皆是以布赫納的研究做為起點。