卡米洛·高尔基的科学故事及其在教学中的应用

安徽师范大学生物教育研究中心(241002) 孟 蕊 韩 菲 鲁亚平

科学是一个发展的过程。科学家作为科学的实践者是科学史的重要组成部分。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质、科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神。在高中生物教科书(必修)中涉及到国内外科学家80余人，这些科学家的故事都是非常好的课程资源。

卡米洛·高尔基(Camillo Golgi，1843—1926)一生研究领域广泛，为现代生物科学尤其是神经科学做出了巨大贡献，被后人称为现代神经科学奠基者之一。1906年，他与西班牙科学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal，1852—1934)共获诺贝尔生理学或医学奖。高中生物的教学中与其有关内容主要有“分子与细胞”模块中细胞器高尔基体和“稳态与环境”中神经调节。因此，了解高尔基所做的科学工作对于教师和学生学习上述内容有着重要的作用。

1 高尔基生平

1843年7月，卡米洛·高尔基出生于意大利北部一个名叫科尔特诺(Corteno)的乡村。他的父亲是一名医生，受他父亲的影响，他选择在帕维亚(Pavia)大学学习医学，并在那里以实习生的身份加入了龙勃·罗梭(Cesare Lombroso，1836—1909)指导的精神病学研究所。1865年大学毕业后，高尔基师从细胞生物学先驱之一的Gioni Bizzozero教授学习，得到了组织学技术的系统训练。

1869年，高尔基将研究重点集中于神经系统结构的实验观察上，开始了他孜孜追求的科学研究生涯。然而，由于当时技术发展水平有限，神经组织又十分复杂，他在进行神经系统的结构研究时，并没有出现令人满意的进展。1872年，由于经济原因，高尔基受聘在一家慢性病医院担任院长。但是医院有严格的隔离制度，使他无法在医院内开展实验工作。于是他就在自家的厨房里支起显微镜和仪器建立起了自己简陋的实验室，继续开展神经科学的研究,很多的重要发现都诞生于此。1873年，就在那个简陋的小厨房里，高尔基发现了一种神经组织染色方法，即黑色反应(Black reaction)，又称神经组织镀银法(Silver impregnation method)。晚年，他这样回忆这段时光：“我在Pio Luogo分配给我的小公寓厨房里进行组织微观研究时，虽然当时孤立无援，但我没有觉得这对我的科学研究造成困扰，科学的神圣之火驱使我打败了恶劣的环境。”

19世纪末，基于对中枢神经系统结构和人类血液中寄生虫发育周期研究的贡献，高尔基已然闻名遐迩。1906年，高尔基被授予诺贝尔医学或生理学奖。1926年1月21日高尔基在他工作了一生的帕维亚逝世。高尔基虽然离开了我们，但他对科学的热情，认真钻研的科学精神值得当代每一位科研工作者学习。

2 高尔基的几个重要科学发现

2.1 黑色反应的发现与诺贝尔奖

高尔基在研究脑内神经元时发现由于神经元数量庞大，普通染色会将所有神经元都染上颜色，无法观察到单一神经元的结构。1873年，高尔基发现了一种神经组织染色方法，即黑色反应，又称神经组织镀银法。但高尔基发现的黑色反应在当时并没有得到重视。第一，当时科研人员对组织结构进行微观研究时，创建了许多的技术方法，黑色反应只是其中一种，各种方法良莠不齐，人们一时难以辨别；第二，当时科学家普遍接受尼式染色法，高尔基的染色法冲击了当时大多数研究神经系统科学家的传统观念；第三，高尔基黑色反应的成果所发表的期刊不被人们重视，以至于很长一段时间，很少有人愿意尝试运用他的这一技术发现去进行相关的研究。但高尔基从未怀疑过黑色反应技术的正确性。为了更清晰地显示神经元的精细结构，高尔基不断修改化学试剂和物理参数，尝试给出这个黑色反应的“最佳条件”。经过无数次的尝试和失败，高尔基终于运用这些“最佳条件”拍摄出了精美的神经元显微图片。1885年，高尔基在他的著作《神经系统器官显微解剖学》中大量引用了这些图片作为插图。当人们从这本书中看到这些完美的图片时，方才认识到黑色反应的魅力。

黑色反应对神经科学研究影响深远，直到今天我们仍然运用这种方法进行神经组织的病理学检查和科学研究。这种方法也较为简单：先用重铬酸钾将神经组织硬化，再用硝酸银浸渍。最终的结果是由于铬酸银的沉淀，填充了神经细胞体及其突起。因此，神经细胞的黑色轮廓得以显现。由于至今不明的“神奇”原因，铬酸银沉淀物只能染黑很少的神经细胞(通常只占总神经元的1%～5%)，从此解决了观察单一神经元结构的难题。

高尔基发现的黑色反应让神经元学说得以证实，但他一生却支持神经元学说的对立学说——神经网状学说。1838—1839年，施莱登(Matthias Jacob Schleiden，1804—1881)和施旺(Theodor Schwann，1810—1882)阐述了细胞理论，但没有涉及到神经细胞。高尔基利用黑色反应进行了一系列研究并支持“神经网状学说”。他认为中枢神经系统是由网络状的神经纤维构成。与此同时，威廉·沃尔代(Wilhelm Waldeyer，1836—1921)提出的“神经元”细胞学说得到了广泛支持。西班牙神经科学家卡哈尔就是“神经元学说”的支持者之一。他改进了高尔基发现的黑色反应染色法，并利用此法对脊神经在脊髓内分布作了系统研究，发现神经元之间并没有原生质联系，而是相互接触的。因此，他支持神经系统是由分开的、边界分明的细胞通过高度有序的特异性突触连结而成的“神经元学说”，反对网状学说。

虽然卡哈尔与高尔基在理论上支持的观点不同，但在实际工作上，他正是应用了高尔基的黑色反应技术进行了他的研究工作。尽管观点对立，但这两位神经科学的开拓者并没有失去彼此的爱惜和尊重。他们都对神经组织进行了详细的研究，为人们日后深入认知神经系统的功能打下了坚实的基础。

瑞士神经科学家鲁道夫·科利克(Rudolf Kölliker)曾说：“根据对科学的贡献，卡米洛·高尔基公爵在1901年(首届诺贝尔奖)就应该获得颁奖。”但直到1906年，高尔基才与卡哈尔共同获得诺贝尔生理学或医学奖。委员会认为两名科学家都在“神经系统结构”方面作出了杰出贡献：高尔基提供了研究方法，卡哈尔对脑和脊髓结构方面见解深入。

值得一提的是高尔基基于当时的科学事实，即黑色反应(高尔基染色)所观察的结果，支持“网络学说”。今天我们知道，这一解释科学事实的理论与客观事实有偏差，但高尔基所创立的实验方法及其所揭示的科学事实在今天仍然被视为科学经典。在某种意义上，科学就是一个不断发现问题、提出问题、不断更新答案的过程，并不会因为当时认知的不完美，而否定他对现代神经科学作出的卓越贡献。

2.2 高尔基体的命名

高尔基体是细胞分泌途径中重要的细胞器，既控制细胞内蛋白质和脂类合成后的修饰、分选和运输等过程，又参与物质运输和信号转导过程。1897年，高尔基用显微镜研究猫头鹰脊髓神经元时，在细胞质中观察到了一个“网状堆层结构”。该结构与细胞核和细胞膜有明显的分隔。1898年4月，他在帕维亚医学外科学会研讨会上介绍了这一“内部网状结构”，并以他自己的名字命名为高尔基体。这种细胞器的发现是细胞生物学的一个真正突破。然而，由于当时显微镜技术的发展有限，更主要的是高尔基染色呈现高尔基体不稳定，具有偶然性。因此，高尔基体的存在一直备受争议，细胞学家赋予它几十种不同的名称，也有很多人认为高尔基体是由于固定和染色而产生的人工假象。直到上世纪50年代中期通过使用透射电子显微镜才证实了高尔基体的真正存在。

1910年，“高尔基体”作为术语在研讨交流中被使用，1913年在科学文献中首次出现了这一名词。至此，高尔基成为了细胞和分子生物学中被引用最多的科学家名字之一。

2.3 多个研究领域的开拓者

高尔基除了以上为众人所知的重要贡献以外，在神经科学的多个方向都做出了开拓性工作，被誉为现代神经科学创始人之一。他发现了神经轴突的分支和树突在神经网络中不融合的事实。他对小脑结构的研究中，详细描述了小脑皮质和嗅觉叶的组织结构。并且在舞蹈病例中观察到了纹状体和皮质损伤，为理解其发病机制提供了结构基础。

同时，高尔基还揭示了神经胶质细胞的形态特征以及神经胶质细胞与血管之间的关系。他根据细胞的形态特征，将神经元分为两种基本类型，即“Golgi I”和“Golgi II”。1878年，他还描述了两种腱感觉小体：高尔基腱器官(本体感受器)和高尔基-马佐尼小体(压力刺激小体)。

1886—1892年间，高尔基将研究重点转移到当时死亡率极高的流行性疾病疟疾的发病规律上，并做出了重要的贡献：他阐明了红细胞中疟疾治病因子——疟原虫的发育规律，以及复发性寒战和发热与血液中寄生虫的释放之间的时间关系。高尔基还研究了在发病期间使用奎宁的疗效，为防止这种流行性疾病在欧洲的肆虐提供了科学支撑。

高尔基是一位敏锐又多产的科学家。他的研究领域还涉及组织学、组织发生学、肾脏病理学。1892—1893年间，他还发现了胃腺壁细胞小管，现在我们通常称为Müller-Golgi小管。

有趣的是，尽管高尔基曾担任过医院院长，他的研究成果挽救了无数人的生命，但他从未进入临床医疗领域。然而，他创立的神经病理学研究所，向全世界热爱做实验的学者开放，却培养了许多杰出的年轻医生。高尔基一生积极支持公益事业。第一次世界大战时，他已步入高龄，但依然坚持在军队医院工作，为神经损伤患者的诊治和康复提供科学指导。

3 科学史在教学中的应用——以高尔基体为例

科学史作为重要的课程资源，已经引起很多一线教师的重视。但是，如何用好科学史的内容是一线教学中的难题。那么我们怎么利用上述关于高尔基的科学故事，让我们的课堂更接近于学科本质呢？以细胞器为例，如前所述，高尔基是在研究猫头鹰的神经元细胞的时候发现了“高尔基体”这样一个结构的。那么，我们可以打破教科书中学习细胞器时所使用的普通的动、植物细胞，而是以神经细胞为例学习各种细胞器。神经元胞体所含的细胞器和所有动物的细胞一样。最重要的有细胞核、粗面内质网、滑面内质网、高尔基体和线粒体。提示学生思考神经元胞体内有发达的粗面内质网、轴突内没有核糖体、轴突末梢内有大量线粒体结构特点的原因是什么。除此之外，以神经元的结构高度特化以执行其特定的功能为例，讲授细胞器之间的分工合作更有利于学生从整体理解细胞的结构。

总之，科学史融入教学不是简单内容的罗列，而是要与教学内容有机的结合起来，以多种多样的方式呈现在学生面前。把学生从枯燥的科学结论中解放出来，回归生物学科实验的自然学科属性。同时，学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路进行趣味性和探究性学习。学生在学习过程中了解科学家的研究历程，有成功的喜悦，也有失败的挫折。在成功时懂得奉献，在失败时懂得执着。在得与失不断地研究过程中，科学家的行为、思想、精神深深的影响着学生的情感态度和价值观。