用科学史发展科学思维的一点看法1——E. Gorter & F. Grende的实验

用生命科学史发展科学思维的一点看法1

——E. Gorter & F. Grende推断质膜中脂质呈双层排列的实验

高中生物学教学中，广大教育工作者已普遍接受这样的事实：科学史资料具有丰富的科学思维、科学方法、科学世界观、科学精神和科学态度等内容。

实际教学过程中有一种倾向，打着依托科学史发展学生科学思维的口号，却罔顾科学思维需要建立在尊重事实和证据的基础上。下面以几个广泛使用的科学史资料谈一下其中存在的罔顾事实和证据的现象。

1.1事实和证据

对生物膜认识的早期资料源于哺乳动物红细胞质膜，人们很早就明确了细胞质膜是脂溶性的。1925年E. Gorter & F. Grendel用丙酮提取红细胞中的脂质，然后将提取的脂质在空气-水界面上排成疏松的单层[注1]，实验结果表明：排成单层的脂质的表面积是红细胞表面积的2倍，据此推断红细胞质膜中的脂质排列成两层。

E. Gorter & F. Grendel是幸运的，他们没有对质膜中的脂质进行充分提取，也没有准确地估算单层脂质和红细胞的表面积[注1][注2]。1966年R. S. Bar等重新实验的结果显示，将红细胞中获得的脂质排列成紧密的单层[注1]后，其面积是红细胞表面积的1.3（1.2～1.4）倍。这一结果在现在来说是比较容易理解的，因为贯穿和嵌入膜内的膜蛋白也会占据一部分膜面积。

E. Gorter & F. Grendel没有考虑膜蛋白对膜面积的影响，这与当时人们对质膜化学成分的认识有关。科学家虽然很早就注意到质膜上含有膜蛋白，但早期研究停留在膜蛋白的定性分析上，并且早期用哺乳动物红细胞制备的质膜中含有大量血红蛋白，这都限制了对膜蛋白的定量分析。20世纪30年代前后科学家开始定量研究膜蛋白的含量，但是此时对膜蛋白含量的估计仍和现代研究有一定的差距。

1.2误解与问题

介绍这部分科学史，一个典型的误区是科学家制备质膜后，通过化学分析得知细胞膜主要由磷脂和蛋白质构成。既然细胞膜主要由磷脂和蛋白质构成，那么分析质膜面积时只考虑膜脂而忽视膜蛋白就不符合正常逻辑了。此处可简单介绍一下研究背景。

另一种误解是认为将哺乳动物红细胞膜中的脂质提取后排列成单层，单层磷脂的面积是细胞表面积的2倍。如上文所述，这个数据并不恰好2倍，E. Gorter & F. Grendel幸运地推断了细胞膜中脂质呈双层排列，虽然其实验方法、计算过程和结果都存在问题，但是他们的研究推动了人们对细胞膜结构的理解，这就是该实验的重要意义。

科学史中不少结论都有其时代局限性，但是从更大的角度来看，一些不完善的实验和结论在客观上也推动了科学进步，这一点对于我们理解科学本质具有重要的价值。教育工作者要学习区分科学史中的资料内容反映的是经过检验的事实，还是促进科学进步的不完善证据。在学生学习中引入科学史，可以让学生站在当时的研究背景下，基于当时的事实和证据，哪怕是不完善的证据，去理解科学家的工作，这样的科学史才具有更大的科学思维训练价值。

[注1]根据1966年发表在《Science》上的文章，E. Gorter & F. Grendel测定单层脂质的面积是at low surface pressure，而R. S. Bar等测定单层脂质的面积是at collapse pressures。这两个词我暂时不会翻译，根据文章意思来看，E. Gorter & F. Grendel得到的单层连续单层脂质是相对松散的，而R. S. Bar等测定的单层脂质是相对紧密的。膜脂在质膜中的排列实际为紧密的，因此E. Gorter & F. Grendel对单层脂质面积的估计值偏高。

[注2] E. Gorter & F. Grendel估算红细胞表面积采用的公式是2D2，其中D代表直径。显然这个估计太粗糙了，红细胞表面积的估计值大约比实际值小了50%。