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探索細胞世界裡的奧祕–克雷布斯與生物化學
92/05/12
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張文亮｜
臺灣大學生物環境系統工程系
害羞的童年
一九○○年八月二十五日，克雷布斯（Hans Adolf Krebs）生於德國北部的希爾德斯海姆城。他的父親是耳鼻喉科醫生，母親是業餘的植物學家，他有一個姊姊與一個弟弟。父親在執業之餘，經常與母親帶著孩子去野外散步，教他們辨認路旁的野花與樹木，這埋下克雷布斯日後喜愛自然科學的種籽。
一九○七年，他就讀於路德會的教會小學。他的個子矮小，又是班上近視度數最深的人，他不擅長運動，也不太愛交朋友。下課時，他就看花、看石頭，他自小就寫道：「我孤單，但我不無聊。」
愛上閱讀
一九一二年，他進入中學，遇到影響他一生的第一個老師吉博爾博士（Dr. Johannes Gebauer）。吉博爾教歷史，他對學生非常的嚴格，他說：「我對學生的要求高，因為我對他們的期望高。」克雷布斯喜愛嚴格的老師，學習札實的學問，他尤其記得吉博爾老師所說的：「歷史是一種以深遠、特殊的角度看事情，啟發你廣泛閱讀的學科。」克雷布斯後來雖然從事生物化學的研究，但是他一生喜歡歷史，退休以後，他發表了許多篇有關「生物化學發展史」的報告，還寫了二十世紀傑出生物化學家瓦爾堡（Otto Warburg, 1883-1970）的傳記。
戰爭時的立志
一九一四年八月，第一次世界大戰爆發。克雷布斯當時是狂熱的愛國主義者，他看著一列列的火車，載著軍人開往前線，他充滿樂觀地認為他們很快就會凱旋回來，他的父親也志願加入軍隊，擔任軍醫，更成為他的英雄。一九一五年，從戰地上回來的火車載的都是傷兵，德國百姓對戰爭的樂觀，開始蒙上一層陰影，但是他立志要像他的父親，將來也要成為醫生，能直接幫助人與報效國家。年底，德國糧食缺乏，開始實施口糧配給，他以對植物的認識，在學校成立「園藝社」，並在學校、住家附近種菜，以補糧食的缺乏。
戰爭似乎無止盡地持續著，戰場上傳來的消息愈來愈不利，士兵不夠，連40歲以上的男人也被徵召了。一九一六年，肉食進入管制，克雷布斯又帶領同學養雞、養鵝，補充肉食。後來雞、鵝不夠吃，就連老鼠也抓來養。一九一八年，他高中畢業，立刻加入新兵第十軍團。
散掉的軍團
受訓兩個月，新兵準備開赴前線，一天夜裡，新兵發現軍團裡所有的軍官都不見了，原來德國已簽下降書。隔天，所有的軍團紛紛解散，路上公車、火車擠滿了歸心似箭的軍人。這時全國秩序大亂，搶案紛傳，酗酒滋事四起。克雷布斯回家之後，立刻申請進入德國東部的哥廷根大學醫學系就讀。他後來寫道：「在動亂的時代，仍然認真學習，才是個性成熟的表現。」
當時德國各大學對於士兵申請入學有優待，但是第一年就以嚴格的要求刷掉大部分的學生。他寫道：「教授無機化學的是極負盛名的化學家溫道斯（Adolf Wendaus），上完他的第一堂課後，全班同學一片慘叫，我也臉色發白，低聲道：『喔！上帝，我絕沒辦法學會這些。』」曾經受過嚴格教育的學生是不輕易氣餒的，他與幾個同學立刻組成「讀書會」，一起討論課程內容，逐漸度過大學的困難課程。
生物化學教育的真諦
大學三年級時，他遇到影響他一生的第二個老師科諾普（Franz Knoop）教授。科諾普教授「生理學」，他在一九○四年發表〈胺基酸可在細胞中進行脫氨作用，形成酮酸〉的生理代謝而聞名。他上課時講話的速度慢，但是內容活潑，他上課沒有教材，祇發給學生一、二頁的摘要，但這些摘要的背後是一個研究者充分的預備。他挑戰他的學生道：「學習生理學的優點，是可以讓人認識生命裡的獨特性。」為此，他鼓勵他的學生從事醫學的基礎研究，因為：「醫學的進步在研究，不在行醫。」
克雷布斯記下第一次上科普諾的課的情形，他寫道：「他在一上課時就說道：『生物化學的真正目的，在將化學物質的轉換，表示成一連串連續性的化學反應，以顯示物質在生物體內的合成、分解與能量的儲存、釋放。但是現在我們對此知道多少？我們必須謙卑地承認，對此所知極為有限。我們面對愈重要的問題，必須愈謙卑。』」謙卑、自認不足，是大師級科學家的共同特點，是科學進步的起點，就是這個謙卑的老師，將克雷布斯引上研究生物化學的道路。
親手操作的學習
克雷布斯開始與幾位讀書會的同學組成一個「志願擔任實驗助教」的小組，幫助實驗課的老師準備化學試劑與生物標本。這是吃力不討好的工作，他寫道：「醫學生的功課很重，考試又多。要分出額外的時間，替老師預備實驗，實在不易。但是我期待在學習的過程中，有更多親手參與的機會，大部分的同學都祇希望畢業後去當醫生，我卻愈來愈期待從事醫學的基礎研究。」
在接觸實驗時，他開始深入了解「細胞染色的技術與原理」，他寫道：「細胞染色代表染色劑與細胞中蛋白質的結合能力，但是染色的速率有快有慢，這是受什麼因素影響呢？是染色劑在細胞間的擴散能力？還是穿透細胞的能力？」一年後，他發表第一篇研究報告〈染色劑在肌肉細胞中染色速率判斷細胞排列的緊密程度〉。
抽空念書的學生
當時德國的大學教育並未制定必修課程，大學生也可以跨校選修，祇要能夠提出學習成果，就可以畢業。一九二一年，克雷布斯到富雷伯大學修課，隔年，又到柏林大學與慕尼黑大學就讀。一九二三年十二月十三日，他自醫學系畢業，同時考取醫師證照。但是他沒有去開業，他寫道：「期待能夠解開疾病的奧祕，我決定投入醫學的生化研究，因為這是一支充滿盼望的前進隊伍。」一九二四年一月二日，他申請進入柏林大學，並在大學附屬醫院擔任檢驗科實習醫師。
他在繁忙的醫院工作之外，又抽時間念書、做實驗是很不容易的事，但是他自大學時代就學到善用剩餘時間的本事。以後兩年，他發表三篇有關不同酸鹼值對於蛋白質帶電性之影響的研究。一九二五年十二月，他取得博士學位。他在這時寫道：「仍期待更深度的研究。」他沒有去尋找教職，也沒有繼續擔任醫生的工作，他前往當時的「生物化學泰斗」瓦爾堡的研究室，應徵博士後研究員的職位。
生物化學界的泰斗
「生物化學」在一九二○年代以後能夠突飛猛進，且脫離「生理學」成為獨立的學門，瓦爾堡是最關鍵的人物之一。一九三一年，他以細胞內呼吸酶的性質研究，獲得諾貝爾生理與醫學獎。他認為生物化學的發現與實驗技術的進步有關，他在一九二○年代就製造出「分光光度計」、「呼吸氣壓計」與「組織切片技術」。至今，分光光度計是化學分析上非常廣用的儀器，呼吸氣壓計是測定細胞或微生物呼吸的重要檢定設備，組織切片技術更成為研究細胞生理的方法。
當克雷布斯去應徵博士後研究員時，瓦爾堡正擔任「凱撒威罕生物中心」的主任。當時德國的學術界公認該單位如同一座學術的森林，如果你在這森林裡發現一個美好的果子，即使在裡面逗留幾年，也不會有外界的人去干擾。
嚴格的要求
瓦爾堡是影響克雷布斯的第三個老師，他對研究員的要求非常嚴格。他要求：「一星期上班六天，每天八點準時進入實驗室，中午半小時的午餐時間後，再繼續工作到下午六點。晚上回家寫實驗結果，隔天來與他討論後，又繼續工作。」因為瓦爾堡認為：「科學的發現是建立在嚴謹的要求上，為此，我嚴格地批判。我的研究就是要求清楚、可靠、能接受考驗，如果我能發現我的實驗有誤，那將是我最驕傲的時刻。」
瓦爾堡自視甚高，極好批評，他在面試時對克雷布斯說：「如果你來我這裡祇是想為未來的教職鋪路，那我鼓勵你不如去找別的教授，像驢子一樣去替他們做了無創意的工作。」
癌細胞的代謝
克雷布斯跟隨瓦爾堡從事癌細胞代謝作用的研究，發現「癌細胞的生長快速與其特殊的代謝有關。正常的細胞在有氧的情況下，才能獲得所需能量，在缺氧的情況下，所獲得的能量很少，但是癌細胞在缺氧的情況下，其代謝獲得能量的速率是正常細胞的30倍。所以抗癌的機制主要在於抑制癌細胞代謝的速率。」並提出：「癌細胞產生的原因，在於身體缺乏氧氣。」
一九二七年，克雷布斯發現「人體內的血清不能抑制癌細胞對醣類的代謝速率」。他進而研究「一氧化碳對細胞呼吸作用的抑制」、「不同波長的光線對呼吸作用的影響」、「不同氧氣分壓、溫度與酸鹼值與細胞代謝速率的關係」。
一九二八年，他提出「氰化物對血清作用的影響」，以後兩年，他又陸續提出「重金屬對組織蛋白酶的抑制」、「血液中血紅蛋白轉換成高鐵血紅蛋白的機制」等研究成果。
獨立研究的工作環境
工作期間，他申請了幾所大學的教職都遭拒絕，理由是他有猶太血統。一九三○年三月，阿爾托那市立醫院請他去擔任臨時的病理學講師。隔年四月，他轉往富雷伯大學擔任醫學系的助理教授，並負責22個病人的看顧工作。
不同於他的老師瓦爾堡，將醫學的工作與生物化學的研究劃分得壁壘分明，他寫道：「醫生的身分帶著為父的角色，我不只為病人看病，也傾聽他們在生活上遭遇到的困難、工作的壓力或家庭的問題。醫學的工作彷彿祇是一個媒介，使我與病人有個溝通的管道。我漸發現醫生對病人深度的了解，是醫病關係互信的基礎。」
不久，他發現所看顧的病人中，有些疾病是來自病人的體內缺乏酵素或是酵素功能異常，以致無法合成「尿素」。如果嬰孩缺乏合成尿素的能力，將無法生存。他知道缺乏酵素是無法醫治的疾病，但是對於合成酵素能力較弱的病人，仍然可以由食物的配方去改善病人的狀況。
尿素的合成
當時的生物化學分析技術，主要以瓦爾堡的呼吸儀為主，呼吸儀能夠測定二氧化碳的生成速率，但是無法量測氮化合物在細胞內的變化。他將物理滲透壓的測定方法放入生物化學的分析中。他在細胞培養液中，配製不同濃度的胺基酸與尿素，再量測細胞與培養液之間的滲透壓力差，如果細胞能代謝該胺基酸或尿素，細胞內外滲透壓力差就逐漸減少。
一九三二年，他發表〈尿素在動物細胞內的合成〉。他提出尿素的合成在體內的代謝程序中是一個循環，首先由鳥胺酸轉換成瓜胺酸，又轉換成阿金胺酸，再轉換成尿素與鳥胺酸，鳥胺酸又繼續循環，他稱此為「尿素合成的鳥胺酸循環」。這一篇研究是二十世紀細胞生理化學的重要發現，一夕之間，他成為名揚世界的科學家。
尿蛋白的檢查
他認為疾病原因的探究，不能祇在受損的組織，連相關的組織也需檢查，傳統的科學認為尿素的合成是在肝臟，他卻發現「尿素最後的合成是在腎臟，而非肝臟」，這又是一個重大的發現。同年，他以自己在醫院擔任檢驗的專長，繼而提出「檢查尿液中的尿蛋白與尿素的成分，就可以判斷是否有腎臟與肝臟代謝的異常」，並用做調配病人飲食的建議，後來這成為很常用的體檢項目。
他證明生物化學在代謝物質中間產物的研究上，能夠釐清模糊的疾病成因，絕非祇是象牙塔內的空想，而深具實用的價值。
生病的祖國
當他專注於細胞裡的代謝作用時，德國正發生劇烈的政治改變。第一次世界大戰德國戰敗後，背負巨大的債款，政治與經濟都動盪不安。戰爭前一年，4.2馬克兌一美元，戰敗的第一年是40馬克兌一美元，戰敗後四年是四兆二千萬馬克兌一美元。德國馬克市場崩潰，百姓對政府完全失去信心。動亂的時局常會產生極端的政治團體，德國的在野黨分成極右派的激進國家社會黨（後改名為納粹黨）與極左派的共產黨，這兩派各自吸引跟隨者，經常互相鬥爭。
克雷布斯在念大學時，這兩派的大學生就經常在學校示威與械鬥，當時他寫道：「願在我的生命裡，政治是最微不足道的東西。」一九三○年，各地都有納粹黨員舉著大旗在遊行，所到之處猶太人被毆打，猶太人的商店被焚燬。他卻認為：「理智的德國人將選擇正確的政黨，這一切的動亂終會平息。」
難捨實驗室的人
但他錯了。一九三三年三月二十三日，納粹黨的希特勒（Adolf Hitler, 1889-1945）被選為總理，瓦爾堡與科諾普都給他信件，勸他速離德國。他大學裡猶太籍的同事都開始逃亡了，他還是沈湎在細胞代謝的研究裡。四月一日，他忽然接到教育部的公函，他的教職即日起被取消，他依然繼續進行實驗，讓他如此捨不下工作的是，他在此開始發現了麩胺酸的中間代謝產物。解釋生物能自食物中獲得能量的奧祕，已經露出端倪了。
瓦爾堡知道他學生的脾氣，他立刻為克雷布斯安排逃亡路線，並且告訴他：「被停職的意思，就是你祇能在監獄、集中營與被謀殺，三選一。」克雷布斯才恍然大悟。
四月十三日，他接到瓦爾堡的警告，就帶著實驗筆記，走出實驗室，跨上腳踏車，騎往德國的黑森林。他住在森林中接待的小屋裡，又忍不住取出筆記猛寫報告，寫了八天寄給期刊後，才再逃亡。途中，每停一個逃亡接待處，老毛病就又犯，又再逗留幾天寫研究報告，以致到六月才抵達瑞士。六月十九日，他轉往英國。
剛抵達英國時，他身無分文，他沮喪地寫道：「除了實驗筆記以外，我一無所有。」幸而，不久他在劍橋大學找到研究員的工作，他繼續進行碳水化合物的分解與代謝的實驗。他再度將物理的方法，引進生物化學的研究中，他以碳-14同位素讓生物吸收，再追蹤碳-14在有機碳中的轉換，進而探討代謝的中間產物。一九三五年，他獲得薛菲爾大學醫學系的教職，教授生物化學的課程。
薛菲爾大學是一所小型的學校，學生人數少於八百名，但是他在這裡遇到兩個傑出的年輕人愛立斯頓（Leonard Eggleston）與強生（William Arthur Johnson）。愛立斯頓後來一直負責管理克雷布斯的實驗室，直到病逝。強生在念大學時，被稱為化學實驗的第一高手，醫學系系主任要求克雷布斯一定要收這一個學生。他是克雷布斯第一個博士班的學生，與他一起從事檸檬酸代謝中間產物的研究。克雷布斯一生中最重要的研究，包括後來獲得諾貝爾獎的研究，都是與此兩人共同發表。
生物化學的基本思考
生物化學的源起，是基於對生命現象中一個有趣問題的思考，「生物如何由所吃進的食物，獲得生長與活動所需的能量？」十六世紀末期的科學家海爾蒙特（Joan Baptista van Helmont, 1579-1644 ），首先提出以化學解釋食物代謝的觀念。而後拉瓦錫（Antonie-Laurent Lovoisier, 1743-1794）提出生物體內會進行氧化反應，將食物中的碳、氫轉換成二氧化碳與水。
一般的化學反應會產生許多的熱量，但是生物體內進行氧化反應時，體溫卻並沒有激烈的改變。萊比格（Justus Liebig, 1803-1873）認為生物體內的氧化反應可分為許多步驟進行，所以生物體的溫度改變不大。巴斯德（Louis Pasteur, 1822-1895）由微生物的代謝發現在有氧氣與缺乏氧氣之下，會產生不同的代謝產物。歐勒（Han van Euler, 1873-1963）更提出生物的呼吸作用，有缺氧的階段與好氧的階段，而缺氧的階段所獲得的能量低於好氧的階段。
了解細胞氧化有不同的階段，生物化學家進而探討在這些反應中產生了哪些代謝物。費西爾（Emil Fisher, 1852-1919）發現在細胞的消化過程中，多醣類可藉由水解作用轉化為單醣類。維德蘭（Heinrich Otto Wieland, 1877-1957）發現細胞中的脫氫酶能幫助有機物脫去氫，再與氧結合形成水。瓦爾堡發現肝澱粉在缺氧時形成乳酸。邁爾霍夫（Otto Meyernhof, 1884-1951）繼而提出部分乳酸繼續氧化，部分則還原又形成碳水化合物。但是乳酸氧化成二氧化碳與水是直接經由一個反應而產生，或是一連串的反應？
檸檬酸循環的發現
克雷布斯與強生以鴿子的肝臟與胸部的肌肉細胞為試驗材料，發現乳酸還會轉換成檸檬酸，再轉換成五碳醣、四碳醣，繼而與乙醯輔酶甲，形成檸檬酸，檸檬酸又再循環，並在循環過程中產生水、二氧化碳與能量。了解這個循環機制對於生物獲得能量的方式非常重要，故後來又稱為「克雷布斯循環」。
一九三七年，克雷布斯與強生發表這篇研究，當時並未受到重視。強生畢業後找不到工作，祇好去賣藥品，二次世界大戰時，他加入空軍，駕駛戰鬥機，退伍後經營一間專門飼養烏龜的農場。
食品營養的研究
一九三八年，經過學校同事的介紹，克雷布斯認識來自約克郡的菲樂豪絲小姐（Miss Margaret Fieldhouse），不久他們結為夫妻，後來他們有兩個兒子、一個女兒。不久，德國以Ｕ型潛水艇封鎖大西洋航線，英國知道戰爭即將爆發，為恐戰時糧食缺乏，開始召聘科學家組成開發新食品的研究團隊，克雷布斯也在其中。
他首先研究自麵粉中萃取高蛋白，並且以實驗證明人體對於高蛋白有消化的能力。而後又發現麵粉中所含的有機磷酸與鈣，容易形成不易為人體吸收的難溶物，因此建議另外在食品中添加鈣。戰時有人罹患「夜盲症」，他提出這是缺乏維他命Ａ的攝取，祇要每日食用一千三百國際單位的維他命Ａ就可以改善。他也研究維他命Ｃ的攝取量，提出每日至少要吃35毫克才夠身體所需。
回到故居
一九四一年，他升任為食品研究團隊的主任，他繼續研究含高蛋白的酵母菌的食用性。兩年後德國已漸呈敗象，Ｕ型潛水艇封鎖大西洋的危機解除，他又回到大學繼續擔任教職。他寫道：「科學研究的成果不應歸功於科學家個人，而是歸給大眾，所以科學研究的最佳回饋是在教育。」
一九四五年五月七日，德國戰敗投降。他立刻趕回家鄉，發現他的親戚大多死於集中營中，他的父親被一個蓋世太保藏在家裡，倖免於難，這位蓋世太保過去是他父親的病人，克雷布斯後來在法庭為這位蓋世太保作證，使他減輕刑期。回到英國，他向英國總理提出建議：「人類應該由歷史中學到教訓。第一次世界大戰後，各國封殺德國在國際間的生存空間，導致極端政治組織在德國的興起。因此，對待戰敗敵人最好的方法，是幫助他們重建。」這是他一生少有參加政治活動的紀錄，他寫道：「身為一個科學家，我是以科學的角度去論政治，而非加入政治黨派的團體去論政治。」
通識教育的提倡
一九四七年，他被選為英國皇家科學會會員，他的科學成就漸獲肯定。一九四九年，他又回德國，在各大學巡迴講授生物化學。一九五三年，他以檸檬酸循環的研究獲得諾貝爾生理醫學獎。得獎後，各處的演講邀約不斷，但是他仍保持低調，他寫道：「諾貝爾獎是獲獎者之子女莫大的壓力。我的妻子寧願我在家裡陪孩子們扮狗熊玩，也不要我在外當英雄。」
一九五四年，他轉到牛津大學擔任生物化學系教授，並在英國高等教育司擔任委員。他在這時大力推動「通識教育」，他寫道：「大學能提高國家科學認知的層次，就在通識課程。」他也提倡「專題討論」應該列於研究所的必修課程中，因為「個別指導學生做研究，是必要的教育，而且教師與優秀的學生互動，是教育的精髓。」他也推動「教授治校」的大學組織改革，他認為「在教授治校的架構上，大學方能聘到一流的師資，這是大學行政裡最重要的工作。」他推行「大一新生必須住校」，以增加學生彼此的溝通與熟悉。
一九五七年，他又發表：「三磷酸腺苷酸高能量的磷酸鍵，是細胞內儲存能量的所在。」他眼見生物化學由雛形階段，發展為生物學科的共同基礎。一九五八年與一九六二年，他又分別提出，在生物化學的發展上，「分子生物學」與「生物物理學」是未來研究的主流。他寫道：「如果教授到了50歲，仍然清楚地知道研究生研究的內容，那表示他們根本沒有收到一流的研究生。」他又寫道：「研究生選擇研究的方向，要如聖經裡保羅所說的：『凡事察驗；善美的要持守』。」
最後的勉勵
一九六七年，他自牛津大學退休，轉而撰寫生物化學科學史，他晚年寫道：「我的一生充滿奇妙與感恩，科學研究帶來學習新知的興奮……我努力工作，但非努力到賣力的階段。」
他也鼓勵後來的大學教師：「大學教育不祇是在知識的傳授，更在心智的開啟。啟迪學生，受教的目的不在物質獲取的多寡，而在生命裡有更深的思考、更活潑的創造力與尋找值得委身的地方。」「鼓勵學生，第一、無論面對多少的困難，做值得做的事，其價值是金錢無法評估的。第二、認真地做作業，作業是培養學生思考的訓練。第三、保持與優秀的研究者互動，是培養科學創作力的沃土。第四、將每一次的上課當成盡可能去學習的地方。第五、需要保持有個人獨處與思考的時刻。」
一九八一年十一月二十二日，他病逝於牛津。
深度閱讀
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Holmes, F. L.（1991）Hans Krebs -- The Formation of a Scientific Life, 1900-1933. Vol. 1. Oxford University Press, U.S.A.
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Krebs, H.（1981）Reminiscences and Reflections. Clarendon Press, Oxford, Great Britain.
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Krebs, H. A. and L. V. Eggleston （1938）The effect of insulin on oxidations in isolated muscle tissue. Biochemical Journal, 32, 913-925.
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Krebs, H. A., E. Salvin and W. R. Johnson （1938） The formation of citric and α-ketoglutaric acid in the Mammalian body. Biochemical Journal, 32, 113-117.
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Krebs, H. A. and L. V. Eggleston（1940）The oxidation of pyruvate in pigeon breast muscle. Biochemical Journal, 34, 442-463.
