高中生物科學(xué)家小故事電子顯微鏡專家羅伯特森

電子顯微鏡專家羅伯特森羅伯特森（J.DavidRobertson，1923-1995），美國生物學(xué)家和電子顯微鏡專家，“單位膜”概念的提出者。羅伯特森在阿拉巴馬州塔斯卡盧薩市誕生和長大，是一名警察和一名小學(xué)老師的兒子，在蒙哥馬利的州立高校接受教化。在他到醫(yī)學(xué)院的第一年（1931年）時，正值其次次世界大戰(zhàn)起先。羅伯特森加入了美國海軍，并被派往哈佛高校完成醫(yī)學(xué)院的學(xué)習(xí)。在獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位并在波士頓的馬洛里病理學(xué)探討所接受簡潔培訓(xùn)后，他回到阿拉巴馬高校從事病理學(xué)工作，這份工作同時也作為了他的兵役服務(wù)。羅伯特森是美國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會的早期成員之一，該學(xué)會成立于1961年，兩年后羅伯特森就加入了學(xué)會，并且是《細(xì)胞生物學(xué)雜志》（當(dāng)時雜志被稱為《生物物理和生物化學(xué)細(xì)胞學(xué)雜志》）的早期主要撰稿人，在其最初的七年里，共發(fā)表了七篇論文。戰(zhàn)后，羅伯特森選擇回到探討生院，在麻省理工學(xué)院弗蘭克-施密特（F.O.Schmitt）的杰出試驗(yàn)室學(xué)習(xí)電子顯微鏡（他是通過醫(yī)學(xué)背景進(jìn)入到電子顯微鏡領(lǐng)域的）。當(dāng)時，麻省理工學(xué)院的施密特試驗(yàn)室探討的焦點(diǎn)是如何將電子顯微鏡與其他新興生物物理技術(shù)（包括偏振光顯微鏡和X射線衍射）相結(jié)合。這種結(jié)合使施密特和同事們能夠闡明神經(jīng)纖維四周髓鞘的分子結(jié)構(gòu)。羅伯特森將電子顯微鏡應(yīng)用于神經(jīng)組織的早期勝利之一是證明白髓鞘事實(shí)上是圍繞軸突的施旺細(xì)胞膜的螺旋形包袱（圖1）。這是貝蒂-格倫（BettyGreen）首先提出的一個觀點(diǎn)。（格倫博士也在施密特的試驗(yàn)室接受了博士生訓(xùn)練，時間與羅伯特森大致相同，她后來也成為了著名的電子顯微鏡專家）。圖1羅伯特森對新生小鼠小軸突四周的髓鞘的一次視察結(jié)果（它以完備的橫截面顯示了內(nèi)部和外部的“中軸”或施旺細(xì)胞膜與髓鞘本身的緊湊暗層的連接。這樣的神經(jīng)的圖像明確地證明白貝蒂-格倫最初的想法，即髓鞘是一個緊湊的螺旋形包袱的膜，因此，髓鞘能夠作為模型來理解一般的膜結(jié)構(gòu)）羅伯特森在描述圖1這樣的圖像時說：“我恒久不會遺忘當(dāng)我用手動鏡頭檢查這張顯微照片并意識到它意味著什么時，我感到很興奮。它所顯示的正是貝蒂理論所預(yù)言的東西?！笔┟芴卦囼?yàn)室的這些杰出的早期成員工作的成果，表明白髓鞘的分子結(jié)構(gòu)可以用來闡明一般細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)。羅伯特森用圖表對其進(jìn)行了說明，如圖2所示。圖2羅伯特森制作的一個經(jīng)典摘要圖（該圖即圖1中箭頭處看到的"中軸"。它顯示了出現(xiàn)在最佳的KMnO4薄片上的各種明線和暗線，并顯示了如何依據(jù)當(dāng)時流行的關(guān)于髓鞘中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)方向的觀點(diǎn)來說明它們）羅伯特森在早期一系列杰出的超微結(jié)構(gòu)論文中呈現(xiàn)出了他對理解膜結(jié)構(gòu)的愛好，很快他提出了著名的“單元膜”假說。他于1957年在美國生理學(xué)會的會議上首次闡述了這一假說?！皢卧ぁ奔僬f認(rèn)為，全部的細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜等質(zhì)膜都是由雙分子磷脂層組成的，其表面吸附著單層蛋白質(zhì)。為了支持這一理論，羅伯特森通過一種特別的組織制備方法來進(jìn)行電子顯微鏡檢查——KMnO4、丙酮脫水和環(huán)氧樹脂包埋技術(shù)。這也是為什么全部生物膜在薄片上看起來像是一對黑線的緣由。這種“雙膜”圖像被他說明為來自于KMnO4染色的蛋白質(zhì)單層，其兩側(cè)是未染色的中心“核心”，包括雙分子的脂質(zhì)層。他對這一說明的原始圖示見圖3。圖3羅伯特森的原始“單元膜”模型圖（模型顯示磷脂的雙層核心是一串深色的條狀物，代表其?；?；上面連接的球代表其頭部基團(tuán)；外面的三角波浪形圖樣代表吸附的蛋白質(zhì)和糖類。）缺憾的是，盡管羅伯特森的細(xì)胞膜電子顯微照片在當(dāng)時是特別精彩的，但他們未能說明很多蛋白質(zhì)能夠穿透膜的緣由。而且由于他依據(jù)圖像所闡釋的觀點(diǎn)意味著膜必定是靜態(tài)的，無法說明蛋白質(zhì)在膜內(nèi)擴(kuò)散的實(shí)力。隨后，學(xué)界對這種膜動態(tài)的相識使喬納森-辛格（JonathanSinger）在1972年提出了細(xì)胞膜的“流淌鑲嵌模型”。這一新的模型至今仍是公認(rèn)的范式，使羅伯特森的“單位膜”概念突然黯然失色。然而，羅伯特森理論的基本要素是特別重要的，仍舊與膜超微結(jié)構(gòu)中仍未解決的問題相關(guān)。例如，羅伯特森認(rèn)為質(zhì)膜之間可能存在某種程度的膜連續(xù)性，無論是在細(xì)胞和內(nèi)部細(xì)胞器之間，還是以及內(nèi)部的細(xì)胞器之間（圖4）。然而，這種觀點(diǎn)在接下來的20年里漸漸被體外膜融合/分別事務(wù)的生化探討結(jié)果所否定，以及隨后用戊二醛和OsO4（更先進(jìn)的氧化劑）對細(xì)胞和細(xì)胞器進(jìn)行的電子顯微鏡視察，表明白膜細(xì)胞器是不連續(xù)的，通常通過穿梭小泡（囊泡）進(jìn)行間接溝通。但最近，鐘擺已經(jīng)起先向羅伯特森的方向搖擺，這是由于如布雷非德菌素A（蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑）等藥物的發(fā)展——這些藥物在體外和體內(nèi)都能阻擋囊泡穿梭而不中斷膜交換。這類藥物以及最近設(shè)計的某些蛋白突變，已被發(fā)覺在活細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生顯著程度的膜管和細(xì)胞器的連續(xù)性，令人戲劇性地想起羅伯特森的闡釋。圖4：羅伯特森的假想細(xì)胞圖（圖示說明白“細(xì)胞膜與各種細(xì)胞器的關(guān)系”。在與這幅圖有關(guān)的原文中，羅伯特森說得更大膽，他提出："設(shè)想一個細(xì)胞內(nèi)的'循環(huán)系統(tǒng)'在某些地方干脆與外部世界相連也不是沒有道理的"。鑒于現(xiàn)在對胞吞和胞吐的了解，以及對細(xì)胞內(nèi)膜運(yùn)輸?shù)牧私?，人們認(rèn)為膜的這種極端程度的連續(xù)性是不行能的。但羅伯特森的基本觀點(diǎn)是，由于全部的細(xì)胞膜都是依據(jù)相同的結(jié)構(gòu)原理構(gòu)建的，它們有可能具有連續(xù)性）今日，這樣的圖表被認(rèn)為是過時的和具有誤導(dǎo)性的（以及完全沒有相識到細(xì)胞骨架在確定活細(xì)胞中膜的構(gòu)型方面的重要作用，因?yàn)榧?xì)胞骨架根本沒有被KMnO4作用，所以在顯微鏡圖像中無法視察）。盡管如此，對圖4的改編仍舊出現(xiàn)在很多生物學(xué)入門教科書和其他非專業(yè)論文中。羅伯特森對工作有著極大的熱忱，并決心將他在電子顯微鏡下看到的東西的意義最大化。哈佛高校醫(yī)學(xué)院院長、羅伯特森長期以來的私人摯友丹-托斯特森(DanTosteson)稱羅伯特森是他所相識的“最有激情的科學(xué)家”。羅伯特森有一句話也體現(xiàn)了這一點(diǎn)，這句話是他早期對肌肉細(xì)胞中T型管的視察而產(chǎn)生的：“當(dāng)我第一次看到這些結(jié)構(gòu)時，當(dāng)我意識到它們的意義時，每件事都在我的腦海中突然發(fā)生了改變，我產(chǎn)生了劇烈的興奮（frisson），這種興奮對一個科學(xué)家來說，當(dāng)他做出真正的新的和重要的發(fā)覺時是特別罕見的”。（摘自他在《國際細(xì)胞學(xué)雜志》上的回憶文章，該雜志將“frisson”定義為一種短暫的心情激烈，一種顫抖或激烈）羅伯特森劇烈的學(xué)問熱忱，加上他的個人魅力，使他的事業(yè)快速發(fā)展。他在倫敦高校學(xué)院J.Z.Young所帶領(lǐng)的世界著名的解剖學(xué)系建立了一個杰出的電子顯微鏡探討組，之后，羅伯特森回到哈佛醫(yī)學(xué)院，建立了美國新一代電子顯微鏡應(yīng)用試驗(yàn)室中技術(shù)最先進(jìn)的一個探討組。在那里，他領(lǐng)先發(fā)覺了電突觸傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)——相鄰膜通道的緊密貼合（即現(xiàn)在所稱的“間隙連接”）（圖5）。圖5金魚大腦中軸突與運(yùn)動神經(jīng)細(xì)胞之間的"棍端"所形成的電突觸的超微結(jié)構(gòu)（該圖呈現(xiàn)了羅伯特森對后來被稱為"間隙連接"的膜連接的最早視察結(jié)果）羅伯特森在30歲時揭開了髓鞘的面紗，在37歲時提出了單位膜的概念，在41歲時發(fā)覺了電突觸傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，確立了自己在該領(lǐng)域快速崛起的“明星”地位，在他42歲時，受聘前往杜克高校醫(yī)學(xué)院擔(dān)當(dāng)解剖學(xué)系主任。在他余下的職業(yè)生涯中，他始終呆在那里，建立了一個兼具探討深度和廣度的部門，以至于當(dāng)他在1988年退休時，不得不將其分為三個獨(dú)立的部門，由三個負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)（神經(jīng)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和自然人類學(xué)）。在他擔(dān)當(dāng)杜克高校解剖學(xué)主席期間，羅伯特森接著在電子顯微鏡領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，他在開發(fā)新儀器和新制備方案感愛好的純技術(shù)人員之間架起了橋梁，同時也為那些只想將電子顯微鏡應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)和病理生理學(xué)問題的各種醫(yī)學(xué)人士供應(yīng)支持。另外，羅伯特森本人也接著探究電子顯微鏡的最前沿學(xué)問，例如利用冷凍斷裂和傅里葉分析等新興技術(shù)在生物學(xué)探討中的應(yīng)用，進(jìn)一步推動了人們對膜結(jié)構(gòu)的理解。羅伯特森在杜克高校的一位員工邁克-里迪博士從個人角度描述了羅伯特森擔(dān)當(dāng)解剖學(xué)主席這一時期的良好工作氛圍：“杜克高校的解剖學(xué)系在羅伯特森的主持下，享受著不同學(xué)者之間的非凡和諧。他講故事的魅力是眾所周知的，他的才華基于戲劇感和一閃而過的不同的幽默感”。他補(bǔ)充說：“在他們49年的婚姻生活中，戴維-羅伯特森和多迪-羅伯特森是一對密切無間、相互支持的夫婦。”他們因?qū)ν碌氖⑶榭畲?，以及在那不勒斯、波士頓和杜克高校舉辦的精彩派對而著名，這些派對極大地潤滑了科學(xué)的社會齒輪。1988年退休后，羅伯特森重新啟動了他與J.Z.Young在倫敦起先的一項(xiàng)舊的合作，并在意大利那不勒斯的動物學(xué)站持續(xù)探討了多年，他每年夏天都喜愛和家人去那里。這項(xiàng)合作涉及找尋章魚大腦中學(xué)習(xí)和記憶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。羅伯特森覺認(rèn)為這種神經(jīng)可塑性基本上是由于突觸的“生長”或突觸接觸區(qū)的擴(kuò)展，他試圖證明這種擴(kuò)展是通過章魚神經(jīng)纖維內(nèi)富含肌動蛋白"微釘"的誘導(dǎo)和延長而產(chǎn)生的。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，他通過在章魚的大腦上干脆運(yùn)用細(xì)胞色素D等藥物來阻擋章魚學(xué)習(xí)，這是一種直到最終都讓羅伯特森著迷的試驗(yàn)類型（不過最終未能取得突破性進(jìn)展）。1995年8月11日羅伯特森因白血病在家中去世，享年72歲。直到去世前幾周，他仍舊主動從事生物醫(yī)學(xué)探討，他的三個孩子也有著精彩的成就：卡倫，瓦薩高校的英語教授；伊麗莎白，科羅拉多高校的英語教授；以及小詹姆斯，馬薩諸塞州劍橋的藝術(shù)家。正如其他宏大的電子顯微鏡先驅(qū)一樣，羅伯特森培育了很多優(yōu)秀的青年科學(xué)家，這些人后來在學(xué)術(shù)界或工業(yè)界發(fā)展了自己的杰出事業(yè)，有些人甚至成為這一代電子顯微鏡專家的主要成員。幾乎全部接觸過羅伯特森的人都公開地表達(dá)了他們對羅伯特森作為一個科學(xué)家和導(dǎo)師的巨大敬佩和深切愛戴。無論從個人的科學(xué)成就還是對科學(xué)后代的勝利培育來看，羅伯特森給電子顯微鏡領(lǐng)域留下的遺產(chǎn)都是深刻而源遠(yuǎn)流長的。參考文獻(xiàn)[1]JDR.Theultrastructureofcellmembranesandtheirderivatives[C].Biochemicalsocietysymposium.1959,16:3-43.[2]RobertsonJD.Themembraneofthelivingcell[J].ScientificAmerican,1962,206(4):64-73.[3]RobertsonJD.Theoccurrenceofasubunitpattern