爱德华•布赫纳：生物化学的奠基人

20世纪之前人们普遍支持活力论，认为代谢活动必须在活的细胞中才能进行。而德国化学家爱德华•布赫纳（Eduard Buchner，1860－1917）通过实验发现发酵过程可以在无细胞的条件下发生，这一发现不仅启动了酶学的发展，还标志着现代生物化学的诞生，他也因此获得了1907年的诺贝尔化学奖。人们对于他的获奖表示惊讶，因为当时他还是一个无名之辈，但事实上这次颁奖对诺贝尔奖影响深远，如果没有布赫纳的研究及其开创的生物化学，那么之后几乎没有一个诺贝尔奖会颁发给功能、结构、分子、遗传等生命科学领域的研究。目前仅涉及酶的成果，就已有超20项获得诺贝尔奖。

但是，有人将布赫纳的发现看成是一种幸运，也有人认为他的实验是微不足道的简单操作。本文通过对布赫纳人生轨迹的描绘，以及无细胞发酵发现前后相关争论的述评，将这一发现置于整个学术背景之下进行分析，以展现其重要价值。

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布赫纳家族

布赫纳于1860年5月20日出生于德国慕尼黑，法医学教授和内科医生恩斯特•布赫纳（E. Buchner）之子, 著名的细菌学家汉斯•布赫纳（H. Buchner）之弟（后文将哥哥称为汉斯，弟弟仍称为布赫纳）。

爱德华•布赫纳（Eduard Buchner，1860－1917）

恩斯特•布赫纳有三段婚姻和多个孩子，爱德华•布赫纳是他和第三任妻子弗雷德里卡•马丁（F. Martin）所生。他认为最重要的是孩子们都受到良好的教育，因此儿子汉斯得以完成昂贵的医学学习，并致力于细菌学研究。布赫纳虽然没有继续从事医学，但受到父兄的影响，在生物化学方面进行了开创性的研究。

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求学经历

布赫纳12岁时父亲不幸罹患中风，不能继续支持他的教育，因此为其选择了从商的道路。当时德意志已经于一年前完成了统一，国家空前繁荣团结，比以往更加重视教育、需要人才。因此年长十岁的汉斯没有遵从父亲的遗愿，还是让弟弟接受了普通的中学教育。统一战争虽然已经结束，但为了稳固战争成果，德意志在军事上没有懈怠，爱国青年布赫纳在完成课业后在骑兵队服役一年。在服役期间，他经常往返军营和附近的慕尼黑理工学院，在那里他参加了化学课程并在化学实验室学习了一段时间，化学问题极大地吸引了他。由于失去了父亲的支持，他不得不去工作以支付学费，他在当地一家罐头和蜜饯工厂工作了四年，负责给水果和果汁加糖，这期间他对发酵产生了兴趣。在理工学院的学习和罐头工的经历后来证明对他的应用化学研究非常宝贵。

1884年，他开始接受高等教育并进行纯科学研究，主要是与著名化学家阿道夫•冯•拜耳（A. von Baeyer）一起研究化学，还与慕尼黑植物研究所的卡尔•冯•内格利（C. von Nägeli）教授一起研究植物学。之后他在哥哥的特别指导下进行学习和研究。布赫纳于1888 年在特奥多尔•库尔提乌斯（T. Curtius）的指导下获得了慕尼黑大学的博士学位。

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职业发展

1889年，布赫纳被任命为拜耳有机实验室的助教，并于1891年在大学担任讲师。1893年，他开始了第一个酵母细胞破裂实验，同年秋天接管了基尔大学库尔提乌斯实验室分析部门的监督工作，并于1895年被授予教授头衔。1896年，他被任命为图宾根大学的分析和药物化学特聘教授。同年秋假期间，他在慕尼黑卫生研究所重新开始了对酵母细胞内容物的研究。1898年，他被任命为柏林农业学院的普通化学主任。为了在研究中获得足够的帮助，并能够对助手进行全面的培训，他于1900年在柏林大学获得了教授资格。

1897年1月，他的论文《无酵母细胞的乙醇发酵》（Über alkoholische Gärung ohne Hefezellen)在《德国化学学会报告》（Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft）发表。就是在这篇文章中他宣布了无细胞发酵的重要发现。布赫纳在糖的乙醇发酵方面的发现在1903年与他哥哥和马丁•哈恩（M. Hahn）合作的《发酵》（Die Zymasegärung)一书中进行了系统阐述。1907年，布赫纳因发现无细胞发酵和在生物化学方面的研究被授予诺贝尔化学奖。

《发酵》（Die Zymasegärung)封面

1900年8月，他与来自图宾根的赫尔曼•施塔尔（H. Stahl）教授的女儿洛特•施塔尔（L. Stahl）结婚，并育有三个孩子。1914年一战爆发后，爱国情绪爆发的布赫纳再次报名参军。1917年他在罗马尼亚的福克沙尼战地医院担任少校，8月11日在马拉塞蒂战役的一次作战中被炮弹碎片击中，于两天后死亡，葬于福克沙尼的德国士兵墓地，享年57岁。

布赫纳发现的无细胞发酵除了对后来酶学和生物化学产生了重要影响之外，在当时被认为解决了19世纪最著名的科学争议之一——路易斯•巴斯德（L. Pasteur）和尤斯图斯•冯•李比希（J. von Liebig）之间关于发酵性质的争论。巴斯德主张发酵是活酵母细胞的重要生理行为，李比希则认为发酵是一种纯化学过程。布赫纳表明，在某种意义上双方都是正确的，发酵只是由酵母汁中的可溶性酶进行的，但这些酶是由活酵母细胞制造的。

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争议的开端

1837年以前，发酵一直被认为是一种纯粹的化学过程：不稳定的化学物质的自发分解将其“振动”传递给糖分子，糖分子分解成酒精和二氧化碳。1839年，李比希在对活力论的攻击中重申了化学理论：发酵后发现的任何活酵母都是发酵的结果，而不是发酵的原因。这个问题在19世纪40年代进行了十分热烈的讨论。

理论上有一个简单的实验可以解决这个问题。如果真的只有活酵母才能进行发酵，那么机械破坏细胞就会破坏它们发酵的能力，发酵的活性应该与机械研磨程度相匹配。1846年，弗里德里希•吕德斯多夫（F. Lüdersdorff）为了验证这一假设进行了相关实验，他在磨砂玻璃板之间研磨酵母，直到在显微镜下不再有完整的细胞，粉碎的酵母细胞没有产生二氧化碳气泡。李比希的学生施密特（C. Schmidt）重复了这个实验，得出的结论是，发酵是由于一种被称为“运动”（Bewegung）的纯粹化学物质引起的。到19世纪50年代，李比希的化学理论得到了广泛认可。

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争议的拉锯

1860年，巴斯德著名的发酵实验再次扭转了局面，该实验证明发酵需要活酵母细胞的存在。巴斯德将发酵设想为“无氧呼吸”，酵母利用糖分子中一部分的氧气氧化另一部分的碳，从而允许在没有空气的情况下进行发酵。巴斯德把发酵作为一种生理行为的概念，得到了他详尽实验的支持，他的理论统治了19世纪60年代。

1870年，时年70岁的李比希对巴斯德的实验证据进行了批评，再次引发了争论。李比希那时接受了发酵过程受到某种酵素的影响的观点。但是，巴斯德坚持自己过时的观点，这使他成为了众矢之的。19世纪70年代，人们又进行了几次尝试，试图将不含完整酵母细胞的活性发酵液分离出来。1878年前后，巴斯德自己试图从酵母中分离出“酒精酵素”，但他并没有发现。

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争议的尾声

这场争议的最后一幕是1878年克劳德•贝尔纳德（C. Bernard）的《遗稿》（Nachlass）中发现的一些笔记引起的。这位伟大的生理学家认为他的朋友巴斯德是错的，发酵是由于细胞内的一种酵素。巴斯德对贝尔纳德的质疑和一些试探性的实验做出了回应，之后这个问题就不再是一个受关注的问题，直到1897年，它被布赫纳重新提起。人们做了许多关于氧气在发酵中的作用的实验，以及回应巴斯德工作中提出的其他棘手问题，但没有人去检验酶的假设本身。

在1897年之前的近20年里，像细胞生物学这样活跃的学科中酒精酵素的存在并不是一个活跃的科学问题。那么，20年后布赫纳是如何重拾这个问题的呢？无细胞发酵最早是在他的哥哥、免疫学家汉斯制备的酵母提取物中观察到的，目的是测试一种从细菌中获取蛋白质用于免疫的新方法。与传统的发酵理论不同，疾病和免疫的细菌理论从1880年起经历了一个巨大的发展时期，并从1890年左右开始经历了从细胞科学到生物化学的发展。酶的发现就是这种医学新方法的结果，它反过来在细胞生命的生物化学研究中刺激了类似的革命性变化。

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汉斯对布赫纳的影响

在19世纪末期，当其他人都在研究经典的微生物学时，汉斯却在研究感染的生理学问题。他对炎症的研究使他认为细菌细胞质蛋白是引起炎症的具体原因。他的很多实验都是在弟弟的观摩和讨论下完成的，因此他的研究对于布赫纳影响很大。

汉斯从细胞中分离蛋白质的通常方法是化学萃取，这是一个粗糙的过程，肯定会破坏脆弱的蛋白质，降低它们的特异性活性。他当然希望通过温和的提取方式来提高它们的活性。但是其他化学方法也没有明显提升。汉斯请教了他的化学家弟弟，得出的结论是必须用纯机械方法打开细胞。

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（二）布赫纳对实验的改进

布赫纳第一次尝试用熟悉的方式打开酵母细胞失败了，但他发现，用沙子摩擦却很好地达到了目的。布赫纳让他的助手哈恩升级了磨砂方法。哈恩将硅藻泥添加到研磨酵母的物质中再次进行研磨。然后，他用布把研磨后的物质包起来，放在液压机里挤压。细胞碎片被硅藻泥过滤掉，并从1公斤酵母中压出最多400毫升的乳白色汁液。这是未稀释的细胞内液，几乎不含整个的细胞，里边富含溶解的细胞质蛋白。这种方法的优点在于避免了以前使用特殊溶剂或高压所产生的破坏性使得蛋白变性。

布赫纳使用的研钵和研杵

然而，哈恩注意到萃取物会自发分解，迅速失去凝固标记蛋白。添加到提取物中的防腐剂并不能防止分解，甚至会导致沉淀。他们开始尝试其他常见的防腐剂，如浓缩盐、甘油或40%葡萄糖，布赫纳注意到含有40%葡萄糖的提取物会不断产生气泡。布赫纳自己研究过发酵，他认出了这些气泡就是二氧化碳。由于提取物已经过研磨和过滤，因此不存在活的酵母，这显然是一种无细胞发酵，这一点是经过多次实验才逐渐清楚的。这说明酶不需要活酵母存在，在细胞外仍然可以发挥作用，真正的无细胞发酵已经被发现了。而且在无细胞发酵中，酒精和二氧化碳是等量产生的，这和活酵母发酵时的情况相同。 1897年1月9日，记录这次实验和结论的论文《无酵母细胞的乙醇发酵》被接受发表，无细胞发酵出现在了震惊和怀疑的世界面前。

布赫纳使用的液压机

布赫纳的发现有意外和运气的因素，因为他的实验方式并非独创，但只有他得出了正确的结论。1959年诺贝尔生理学与医学奖获得者阿瑟•科恩伯格（A. Kornberg）曾经提到，巴斯德使用的巴黎酵母有蔗糖酶的缺陷，因此酵母汁水无法发酵。但布赫纳在这方面的运气比较好，他使用的慕尼黑酵母中的蔗糖酶就不存在这个问题，能够保持不错的活力。但是，正如巴斯德自己所说“机遇只偏爱有准备的头脑”，布赫纳具备这样的头脑，他虽然用的是老办法，但有没有忽略偶然出现的新现象，并最终发现了突破性的结果。有些黑色幽默的是他的发现颠覆的正是巴斯德的理论。

英国人阿瑟•哈登（A. Harden）和同事威廉•约翰•杨（W. J. Young）之后扩展了布赫纳的工作，证明发酵还需要另一种物质——辅酶。哈登还证明了磷酸盐在酒精发酵中的重要作用。他在发酵方面的开创性工作近20年后，他和与德国化学奖汉斯•冯•奥伊勒•切尔平（H. von Euler Chelpin）共享了1929年的诺贝尔化学奖，后者也对理解酒精发酵做出了贡献。对酶的研究在20世纪20年代康奈尔大学生物化学学院达到一个高潮，詹姆斯•萨姆纳（J. Sumner）提出酶的本质是蛋白质并声称酶可以结晶化。然而，这项工作并没有立即被接受，直到第二次世界大战后，有机晶体的研究才加速进行，他因此获得了1946年的诺贝尔化学奖。二战前生物化学的大部分重要工作都与代谢过程有关，科学家们试图发现活细胞是如何将脂肪、蛋白质和碳水化合物分解成小分子的，这些过程之间的关系对科学家来说是难以捉摸的。德国人汉斯•克雷布斯（H. Krebs）是第一个确定关键的代谢途径的人。他发现的“克雷布斯循环”（Krebs cycle）解释了复杂分子的分解、释放能量，然后被细胞本身用来维持自身生存的全过程。另一个德国人弗里茨•李普曼（F. Lippman）提供了证实克雷布斯代谢过程模型的证据，他们二人分享了1953年诺贝尔生理学或医学奖。

再之后，生物化学逐渐成为一门跨学科的研究，在20世纪三四十年代进一步扩展。英国生物化学学家李约瑟（J. Needham）在这些年中帮助统一了生物化学和形态学。同样在20世纪40年代早期，美国人乔治•比德尔（G. Beadle）和爱德华•塔特姆（E. Tatum）将遗传学引入生物化学研究。二战后，生物化学的研究越来越集中于遗传关系，并在相关的领域又诞生了十数项获得诺贝尔奖的成果，而这一切都源自于1897年布赫纳的“偶然”发现。一百年后的1997年，德国的生物化学和分子生物学协会（Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie e. V.）创立“爱德华•布赫纳奖”（Eduard Buchner Preis），该奖每两年颁发一次，奖励生物化学领域“像布赫纳一样，以极大的毅力工作，并成功完成他们很早就认识到其重要性的课题”的科学家。至今已有14位科学家获得这项荣誉。