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這是微生物學之父巴斯德 (Louis Pasteur,1822-1895)年輕時 候的故事。 巴斯德在法國鄉下一個叫作多 爾(Do l e ) 的小鎮出生。在他三歲 那年,全家遷至阿伯瓦(Arbois)定 居。父親是皮匠,收入不多,但盡可 能幫助他學習,母親也很努力地鼓勵 他追求知識,供予他完善的教育。 起初他在學校表現普通,但很愛 問問題,凡事追根究底,甚至因此成為某些老師的眼中釘。就這樣不斷地 發問、學習,對化學、物理和藝術都 有深厚興趣的巴斯德漸漸變成優秀的 學生。 當他從法國高等師範學校 (l'École normale supérieure)畢業, 考官發現他有教授化學和物理的能 力, 甚至還說: 「這屆畢業生中只 有巴斯德有教育上的才華。」他很 快就收到圖爾農中學(l e Lyc é e de Tournon)物理教師的約聘書。這對 巴斯德來說是令人沮喪的消息,他想 在巴黎作科學研究。於是他盡可能拖 延赴職時間,計畫在高等師範學校多 待一年, 並寫信給巴黎中央理工學 院(l'École centrale)的創辦人之一 杜瑪(Jean-Baptiste Dumas,1800- 1884)尋求在巴黎任教職的機會: 「敝校考官會在三年級評估學 生的能力,而他們對我的評語,讓我 可以自信地告訴您:我能夠清楚、熱 情地教導科學。我向您保證:這個請 求和金錢無關,僅僅是希望能夠和像 您一樣被科學界敬仰的人物連繫。我 此生最大的希望就是將生命奉獻給教 育……」 杜瑪終究沒有幫助巴斯德。不 過這件事被巴萊(An t o i n e J é r ôme Balard,1802-1876)知道了。 |
巴萊 年輕時發現溴元素,名氣很大,他決 定幫助巴斯德留在巴黎。就這樣,巴 斯德在二十六歲那年,進入巴萊的實 驗室當博士班研究生,也暫時不用去 圖爾農中學擔任物理教師。 巴萊認為自己的研究生涯已告一 段落,想把所有的精神放在學生上, 也給予他的學生很大的自由,任憑他 們選擇學習的方法和方向。他注重學 生的原創力和想像力,不希望他們使 用既有的實驗器材,如果他們必須使 用器材,只能自行設計。為了待在巴 萊的實驗室,巴斯德欣然接受這個特 別的要求。 |
「酒的味道有如詩」 |
巴斯德在巴萊的實驗室確認自 己想成為化學家。當時晶體的研究開 始蓬勃發展,巴斯德也很有興趣,認 為晶體的研究是「有用的科學」,可 以補足拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743-1794)等較早期化 學家比較缺乏的分子結構、分子組成 的理論。 巴斯德喜歡酒, 從啤酒到葡萄 酒都愛。他曾說:「酒的味道像精緻 的詩」、「仔細想想,酒其實是最健 康、乾淨的飲品」。他注意到製酒時 酒石酸(tartaric acid)的晶體會在 醱酵過程中沉積,於是選擇酒石酸鹽 類當研究題材。其實在醱酵桶槽沉積 的不只有酒石酸,還有在當時被稱為 類酒石酸(paratartaric acid)的沉積 物。 |
碰巧酒石酸和類酒石酸的分子式 剛剛被定出來,而且竟然一模一樣! 這是令人難以信服的事情――因為酒 石酸溶液和類酒石酸溶液特性大不相 同,極化光通過酒石酸溶液會產生右 旋光,通過類酒石酸溶液則什麼事也 不會發生。 為什麼分子式一模一樣的化合物 會有截然不同的光學特性? 當時有位德國化學家米切利希 (Eilhard Mitscherlich,1794-1863) 表示:「真令人困惑,它們的原子數 和相對距離完全一樣! 」並寫信和 光學權威畢歐(Jean-Baptiste Biot, 1774-1862)討論這個問題。畢歐認 為這個問題很有趣,連忙重複自己的 酒石酸鹽類實驗,但沒有獲得新的結 論。對結晶很有熱忱的巴斯德當然也 聽說這個問題,他覺得困擾:酒石酸 和類酒石酸在當時被認為是很熟悉的 化合物,已經作過非常多實驗了,幾 乎不可能有更深入的理解,然而米切 利希指出的問題顛覆他對分子的認識 和想像!其中一定有被大家忽略的地 方,必須找出來。 |
左旋與右旋 |
巴斯德決定仿傚他先前作過的
石英結晶實驗,運用他化學和物理的
知識,來解決這個問題。他以驚人的
直覺,假設這裡的問題和不對稱性有
關,然後用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類
結晶。細心的觀察結果發現:酒石酸
鹽類結晶有一面較長,不是完全對稱
的,也因此通過酒石酸溶液的極化光 會產生右旋現象。這個發現符合巴斯 德的假設,所以他並不感到意外。 巴斯德接著假設: 類酒石酸鹽 類晶體應該是對稱的,也因此通過類 酒石酸溶液的極化光才不會改變。然 而當他將類酒石酸鹽類結晶挑出來觀 察,卻嚇一大跳!類酒石酸鹽類結晶 和酒石酸鹽類結晶一樣,都有一個較 長的、不對稱的晶面。 原以為解開謎底的巴斯德再次 陷入困惑之中。為什麼酒石酸鹽類結 晶和類酒石酸鹽類結晶都有不對稱的 晶面,但前者有光學活性,後者卻沒 有?他想了想,只能更大膽地假設: 某些結晶較長的晶面在左邊,某些結 晶較長的晶面在右邊,只有這樣,才 可能解釋為什麼類酒石酸鹽類結晶具 有不對稱的晶面,卻沒有光學活性。 想到這裡,巴斯德興奮地重新檢 視類酒石酸鹽類結晶。果然!他發現 其中有些晶體較長的晶面在左邊,另 外一些則在右邊,就像左手和右手, 像本體和鏡像。當他把所有較長的晶 面在左邊的晶體一一挑出、溶解,然 後將溶液通過極化光,即產生左旋現 象;而若將所有較長的晶面在右邊的 晶體挑出、溶解,然後將溶液通過極 化光後, 即產生右旋現象。換句話 說,類酒石酸溶液不具有光學活性, 是因為它是混合物,同時具有左旋和 右旋的光學特性,互相消弭所致。 |
讓前輩先瞧瞧 |
巴斯德以他極其細心的觀察力,
小心實驗、大膽假設,解決米切利希提出的問題。他自然欣喜若狂,想立 刻發表研究成果,但是他的指導老師 巴萊建議他應該先請教年長巴斯德半 世紀,研究光偏振多年的畢歐,較符 合當時法國科學界的禮俗。 謹慎的畢歐知道巴斯德的實驗 後,決定在擁護巴斯德的發現之前, 親自重複這個實驗。當他最終獲得相 同的結論,畢歐激動地對巴斯德說: 「親愛的孩子,我這一生熱愛科學, 這個結果撼動我的心。」從此,畢歐 屢屢給予巴斯德實驗上的建議,也成 為他重要的良師摯友。 巴斯德的成功確實有運氣的成 分,歷年來許多化學家重複巴斯德的 實驗,想找出影響實驗的每個細節。 巴斯德到底有多好運呢?在酒石酸鹽 類中,酒石酸銨鈉是惟一可以形成肉 眼即可分離的晶體,而酒石酸鈉、酒 石酸鉀、酒石酸銻鉀都只會形成單一 種晶體;再者,巴斯德是在寒冷的巴 黎進行這項實驗,若環境溫度超過攝 氏 26 度,同樣也只會形成單一種晶 體。 許多教科書上提及巴斯德利用鑷 子配合放大鏡挑選晶體,但巴斯德的 紀錄並未明確記載。晶體的差異真有 大到憑肉眼即可分辨嗎?日本中崎教 授重複檢驗這個實驗,發現控制良好 的晶體成長環境,甚至可長出不用放 大鏡也可分辨的晶體。不過中崎教授 表示,需要相當多次的嘗試,才能再 現巴斯德的成果。這說明巴斯德的實 驗縱然有部分來自機運,但他豐富的 知識與嚴謹的態度才是引領至成功的 關鍵。 |