[科普中國]-狗狗與生命科學(xué)

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在生命科學(xué)研究中，許多重要發(fā)現(xiàn)也有賴狗狗相助。比如，解剖學(xué)家卡雷爾（1912年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎得主）開創(chuàng)性實(shí)施的小狗血管縫合及組織培養(yǎng)，奠定了現(xiàn)代器官移植醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)；免疫學(xué)家里奇特（1913年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎得主）用小狗測試海葵素效力時發(fā)現(xiàn)過敏現(xiàn)象，拉開了免疫-變態(tài)反應(yīng)研究的序幕；生理學(xué)家惠普爾（1934年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎得主）發(fā)現(xiàn)用動物肝臟飼喂小狗可以促進(jìn)血紅細(xì)胞生成，為惡性貧血患者帶來福音……

巴甫洛夫的狗

如果說科學(xué)史上最著名的貓是“薛定諤的貓”，那么科學(xué)史上最著名的狗必然是“巴甫洛夫的狗”。薛定諤用密室中的貓作比喻，形象地闡釋了微觀尺度的量子疊加原理。而俄國科學(xué)家巴甫洛夫則依靠狗狗揭示了消化的生理機(jī)制，建立了條件反射學(xué)說。前者為巴甫洛夫贏得了1904年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎，后者成為現(xiàn)代行為與認(rèn)知科學(xué)的里程碑。

人和動物通過攝食獲得能量和營養(yǎng)，那么食物在體內(nèi)是如何被分解轉(zhuǎn)化的呢？之前的科學(xué)家對消化系統(tǒng)僅有大略的描述，知道消化道的解剖組成，知道消化腺可以分泌消化液，消化液里含有鹽酸、碳酸鈉、酵素（即酶），但是對消化系統(tǒng)具體如何工作知之甚少。

用狗狗作為實(shí)驗對象，通過精湛的手術(shù)，巴甫洛夫開創(chuàng)了唾液瘺、胃瘺等慢性實(shí)驗方法，不僅可以方便地觀察狗狗健康狀態(tài)下的消化過程，而且可以研究不同消化器官間的聯(lián)系，取得了一系列新發(fā)現(xiàn)。比如：進(jìn)食不同食物，消化腺所分泌消化液的黏稠度和成分均不同；在狗狗沒有察覺的情況下，不經(jīng)口腔直接將食物導(dǎo)入胃中，也能引起胃液分泌；胰液的分泌由胃酸的刺激引起，甚至其他酸性液體也可直接導(dǎo)致堿性胰液的分泌；胃液的分泌受迷走神經(jīng)支配。這些結(jié)果勾畫出消化生理的草圖，強(qiáng)調(diào)了神經(jīng)對消化的調(diào)控作用。需要說明的是，由于巴甫洛夫及其同事手術(shù)技能高超嫻熟，狗狗們配合默契，在為科學(xué)作貢獻(xiàn)的同時生活得健康快樂。

循著神經(jīng)調(diào)節(jié)消化腺分泌的思路，巴甫洛夫進(jìn)一步研究了食物、鈴聲和唾液分泌之間的關(guān)系，也就是著名的小狗條件反射實(shí)驗。小狗遇到食物，唾液自然流出，這是非條件反射；而當(dāng)每次喂食都伴有鈴聲，一段時間后，即使只有鈴聲也能刺激小狗分泌唾液，這就是條件反射。如果說非條件反射是一種本能，那么條件反射則超越本能，建立了無關(guān)刺激與相應(yīng)反應(yīng)之間的聯(lián)系。這一基本原理為客觀分析人類習(xí)得的行為打開了大門，激勵著科學(xué)家們?nèi)グl(fā)現(xiàn)更多認(rèn)知科學(xué)背后的奧秘。

狗狗與胰島素

糖尿病是一種非常常見的慢性病。一旦得了糖尿病，患者苦不堪言；血糖高，尿糖，多飲多食卻逐漸消瘦，創(chuàng)口難愈合又易被感染，嚴(yán)重者中毒昏迷、臟器衰竭，甚至死亡。巧合的是，狗狗作為人類親密的朋友，也有可能自發(fā)糖尿病，遭受糖尿病的折磨。治療人類和狗狗的糖尿病、成為一項重要課題。

1889年，梅靈和閔可夫斯基在切除胰腺的小狗上觀察到糖尿病的癥狀，率先將胰腺和血糖水平的調(diào)控聯(lián)系在一起。隨后，生理學(xué)家和臨床醫(yī)生們開始積極嘗試從小狗胰腺中提取能夠降低血糖水平的物質(zhì)，卻都無功而返。

但有一些進(jìn)展仍值得關(guān)注，比如：雷尼在解剖學(xué)上發(fā)現(xiàn)胰島和腺泡在胰腺中是彼此分離的；摩西·巴倫發(fā)現(xiàn)結(jié)扎了胰腺腺管的小狗會發(fā)生腺管膽囊結(jié)石，進(jìn)而導(dǎo)致腺泡細(xì)胞的退化。

1920年10月30日，加拿大外科醫(yī)生班廷讀到了巴倫的論文，一個好主意立刻閃入他的腦海：通過結(jié)扎小狗胰管，使胰泡細(xì)胞退化，獲得未被胰液中胰蛋白酶降解的胰島，就有可能獲得調(diào)節(jié)血糖的活性物質(zhì)。想到就去做，班廷說服多倫多大學(xué)糖尿病權(quán)威麥克勞德教授，在麥?zhǔn)蠈?shí)驗室開始了他的試驗。麥克勞德為班廷提供了狗狗和儀器，并指派白斯特做班廷的助手。憑借班廷出色的外科手術(shù)和白斯特扎實(shí)的化學(xué)分析，他們最終得到了可以降低糖尿病小狗血糖的有效成分。1921年12月，麥克勞德邀請生化學(xué)家考立普參與提純，最終得到了能用于臨床試驗的胰島素。

胰島素的發(fā)現(xiàn)極大地改善了糖尿病患者的生活質(zhì)量，推動了糖尿病的相關(guān)研究。1923年，班廷和麥克勞德因為這項成就榮獲諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。此后，小狗一直是糖尿病研究的理想動物模型?；谛」纺Ｐ?，阿根廷內(nèi)分泌學(xué)家貝納多·吳賽進(jìn)一步研究了胰島素的產(chǎn)生機(jī)制，發(fā)現(xiàn)垂體前葉可以分泌激素調(diào)節(jié)胰島素的分泌，獲得1947年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。

現(xiàn)代生命科學(xué)重要的模式動物

進(jìn)入21世紀(jì)，生命科學(xué)發(fā)展迅猛，許多新成果新技術(shù)加深了人們對狗狗的認(rèn)識。比如，2004年諾獎成果“嗅覺受體和嗅覺系統(tǒng)組織方式的發(fā)現(xiàn)”就很好解釋了狗狗嗅覺靈敏的原因——狗狗的嗅覺上皮平均是人的40倍。再比如，基于高通量測序技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)相對于小鼠，狗狗與人類的基因組更為近似，而且狗狗和人類的基因數(shù)目基本相同。

目前，越來越多的證據(jù)提示，狗狗可以成為一種理想的醫(yī)學(xué)研究模型。

首先，狗狗自發(fā)多種人類疾病，包括癌癥、糖尿病、癲癇，甚至強(qiáng)迫癥等精神疾病。狗狗罹患這類疾病時的臨床表現(xiàn)、組織學(xué)特點(diǎn)、分子圖譜、對治療的應(yīng)答及耐受，都與人類非常吻合。比如，骨肉瘤發(fā)生時，狗狗和人都是先從長骨干端發(fā)病，惡化后都會轉(zhuǎn)移到肺臟。

其次，狗狗和人的生活環(huán)境類似，便于研究疾病發(fā)生發(fā)展中環(huán)境因素的作用。在研究諸如社會認(rèn)知能力的進(jìn)化以及阿爾茲海默癥的發(fā)生時，狗狗也扮演著無可替代的角色。

再者，狗狗的某些品種多發(fā)某種疾病，這又為研究人類的相應(yīng)疾病提供了不可多得的家族史分析案例。通過對狗狗家族的大樣本遺傳分析，可以更高效地篩選出關(guān)鍵的致病風(fēng)險基因位點(diǎn)。

此外，由于狗狗的平均壽命僅為人類的七分之一，許多人類老年病在狗狗身上發(fā)生得更早，病程更快。如果有了某種疾病的新療法，狗狗的臨床測試周期更短。目前，兒童失明的基因療法在狗狗身上已獲得成功，這不僅將使很多狗狗重獲光明，而且也終將造福人類。（姜韶東，單位：中國科學(xué)院生物物理研究所）

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