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狗狗与生命科学

作者:姜韶东

2018-02-08 10:18  来源:光明日报  
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  在生命科学研究中,许多重要发现也有赖狗狗相助。比如,解剖学家卡雷尔(1912年诺贝尔生理或医学奖得主)开创性实施的小狗血管缝合及组织培养,奠定了现代器官移植医学的基础;免疫学家里奇特(1913年诺贝尔生理或医学奖得主)用小狗测试海葵素效力时发现过敏现象,拉开了免疫-变态反应研究的序幕;生理学家惠普尔(1934年诺贝尔生理或医学奖得主)发现用动物肝脏饲喂小狗可以促进血红细胞生成,为恶性贫血患者带来福音……

  巴甫洛夫的狗

  如果说科学史上最著名的猫是“薛定谔的猫”,那么科学史上最著名的狗必然是“巴甫洛夫的狗”。薛定谔用密室中的猫作比喻,形象地阐释了微观尺度的量子叠加原理。而俄国科学家巴甫洛夫则依靠狗狗揭示了消化的生理机制,建立了条件反射学说。前者为巴甫洛夫赢得了1904年的诺贝尔生理或医学奖,后者成为现代行为与认知科学的里程碑。

  人和动物通过摄食获得能量和营养,那么食物在体内是如何被分解转化的呢?之前的科学家对消化系统仅有大略的描述,知道消化道的解剖组成,知道消化腺可以分泌消化液,消化液里含有盐酸、碳酸钠、酵素(即酶),但是对消化系统具体如何工作知之甚少。

  用狗狗作为实验对象,通过精湛的手术,巴甫洛夫开创了唾液瘘、胃瘘等慢性实验方法,不仅可以方便地观察狗狗健康状态下的消化过程,而且可以研究不同消化器官间的联系,取得了一系列新发现。比如:进食不同食物,消化腺所分泌消化液的黏稠度和成分均不同;在狗狗没有察觉的情况下,不经口腔直接将食物导入胃中,也能引起胃液分泌;胰液的分泌由胃酸的刺激引起,甚至其他酸性液体也可直接导致碱性胰液的分泌;胃液的分泌受迷走神经支配。这些结果勾画出消化生理的草图,强调了神经对消化的调控作用。需要说明的是,由于巴甫洛夫及其同事手术技能高超娴熟,狗狗们配合默契,在为科学作贡献的同时生活得健康快乐。

  循着神经调节消化腺分泌的思路,巴甫洛夫进一步研究了食物、铃声和唾液分泌之间的关系,也就是著名的小狗条件反射实验。小狗遇到食物,唾液自然流出,这是非条件反射;而当每次喂食都伴有铃声,一段时间后,即使只有铃声也能刺激小狗分泌唾液,这就是条件反射。如果说非条件反射是一种本能,那么条件反射则超越本能,建立了无关刺激与相应反应之间的联系。这一基本原理为客观分析人类习得的行为打开了大门,激励着科学家们去发现更多认知科学背后的奥秘。

  狗狗与胰岛素

  糖尿病是一种非常常见的慢性病。一旦得了糖尿病,患者苦不堪言;血糖高,尿糖,多饮多食却逐渐消瘦,创口难愈合又易被感染,严重者中毒昏迷、脏器衰竭,甚至死亡。巧合的是,狗狗作为人类亲密的朋友,也有可能自发糖尿病,遭受糖尿病的折磨。治疗人类和狗狗的糖尿病、成为一项重要课题。

  1889年,梅灵和闵可夫斯基在切除胰腺的小狗上观察到糖尿病的症状,率先将胰腺和血糖水平的调控联系在一起。随后,生理学家和临床医生们开始积极尝试从小狗胰腺中提取能够降低血糖水平的物质,却都无功而返。

  但有一些进展仍值得关注,比如:雷尼在解剖学上发现胰岛和腺泡在胰腺中是彼此分离的;摩西·巴伦发现结扎了胰腺腺管的小狗会发生腺管胆囊结石,进而导致腺泡细胞的退化。

  1920年10月30日,加拿大外科医生班廷读到了巴伦的论文,一个好主意立刻闪入他的脑海:通过结扎小狗胰管,使胰泡细胞退化,获得未被胰液中胰蛋白酶降解的胰岛,就有可能获得调节血糖的活性物质。想到就去做,班廷说服多伦多大学糖尿病权威麦克劳德教授,在麦氏实验室开始了他的试验。麦克劳德为班廷提供了狗狗和仪器,并指派白斯特做班廷的助手。凭借班廷出色的外科手术和白斯特扎实的化学分析,他们最终得到了可以降低糖尿病小狗血糖的有效成分。1921年12月,麦克劳德邀请生化学家考立普参与提纯,最终得到了能用于临床试验的胰岛素。

  胰岛素的发现极大地改善了糖尿病患者的生活质量,推动了糖尿病的相关研究。1923年,班廷和麦克劳德因为这项成就荣获诺贝尔生理或医学奖。此后,小狗一直是糖尿病研究的理想动物模型。基于小狗模型,阿根廷内分泌学家贝纳多·吴赛进一步研究了胰岛素的产生机制,发现垂体前叶可以分泌激素调节胰岛素的分泌,获得1947年的诺贝尔生理或医学奖。

  现代生命科学重要的模式动物

  进入21世纪,生命科学发展迅猛,许多新成果新技术加深了人们对狗狗的认识。比如,2004年诺奖成果“嗅觉受体和嗅觉系统组织方式的发现”就很好解释了狗狗嗅觉灵敏的原因——狗狗的嗅觉上皮平均是人的40倍。再比如,基于高通量测序技术的进步,科学家们发现相对于小鼠,狗狗与人类的基因组更为近似,而且狗狗和人类的基因数目基本相同。

  目前,越来越多的证据提示,狗狗可以成为一种理想的医学研究模型。

  首先,狗狗自发多种人类疾病,包括癌症、糖尿病、癫痫,甚至强迫症等精神疾病。狗狗罹患这类疾病时的临床表现、组织学特点、分子图谱、对治疗的应答及耐受,都与人类非常吻合。比如,骨肉瘤发生时,狗狗和人都是先从长骨干端发病,恶化后都会转移到肺脏。

  其次,狗狗和人的生活环境类似,便于研究疾病发生发展中环境因素的作用。在研究诸如社会认知能力的进化以及阿尔兹海默症的发生时,狗狗也扮演着无可替代的角色。

  再者,狗狗的某些品种多发某种疾病,这又为研究人类的相应疾病提供了不可多得的家族史分析案例。通过对狗狗家族的大样本遗传分析,可以更高效地筛选出关键的致病风险基因位点。

  此外,由于狗狗的平均寿命仅为人类的七分之一,许多人类老年病在狗狗身上发生得更早,病程更快。如果有了某种疾病的新疗法,狗狗的临床测试周期更短。目前,儿童失明的基因疗法在狗狗身上已获得成功,这不仅将使很多狗狗重获光明,而且也终将造福人类。


(责任编辑:东北科技)
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