消化作用影片－許旺如何從催化作用中發現人體的消化作用？

消化作用是什麼？

過去人們發現胃液中有一種可以分解肉類和蛋白質的特殊物質，許旺還發現，這個特殊物質即使不補充，也一樣能重複分解肉。許旺經過研究後，發現被他命名為「胃蛋白酶」的特殊物質，具有催化效果，而且只要加入酒精、改變酸鹼性、改變溫度等環境條件後，胃蛋白酶的催化效果就會消失。

消化作用的重點

1. 反應物質可重複使用
   
   
2. 催化作用
   
   

你所不知道的消化作用

許旺在得到了這種只溶有可以消化蛋白質物質的液體後，開始著手研究這個物質的特性，希望可以從中推敲出這個物質是什麼，於是他開始了一系列的實驗。他在一組觀察這個物質分解蛋白質能力的實驗中，赫然發現這個溶有可以分解蛋白質物質的液體，竟然可以不斷的分解蛋白質。這個現象讓許旺感到好奇的原因在於，依照以往對化學反應的認識，通常參與反應的物質會被消耗掉，也因此只要沒有繼續添加反應中的任一個物質的話，反應應該最後會停止才對。可是現在許旺沒有繼續添加這個可以分解蛋白質的物質，僅僅是持續添加蛋白質，蛋白質卻依然繼續的被分解。

在找出了胃液裡可以分解蛋白質的物質是一種具有「催化」能力的物質後，許旺想要進一步了解可以影響物質促進蛋白質分解速度的因素，許旺進一步透過改變溫度、改變溶質、改變酸鹼環境等方式，來觀察此物質在不同變因下促進分解蛋白質的能力。於是許旺將這種淡黃色液體分別以加熱改變溫度、與酒精混合改變溶劑、加入不同酸鹼物質改變酸鹼值。

消化作用影片重點

• 00:41 故事開頭

• 02:50 許旺發現胃裡有物質不補充也能重複分解肉

• 04:07 動畫解釋：許旺認為胃裡的特殊物質也有催化效果

• 06:58 許旺發現胃蛋白酶改變一些環境條件就會失去催化效果

• 08:35 動畫解釋：消化系統的器官中有許多可分解食物的酶

• 09:49 故事結尾

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消化系統的研究很早就開始

在生物學尚未發展的亞歷山大-希臘文化時期，古埃及托勒密王朝塞琉古一世 (Seleucus I) 之宮廷御醫埃拉西斯特拉圖斯 (Erasirastratus, 304-258 B.C.)，透過活體解剖死囚對消化系統提出假設 ，在當時，人們對於液體是否通過氣管進入肺部或通過食道進入胃部一直存在爭議。埃拉西斯特拉圖斯提出當食物同飲料被吃進人體內後係經食道到達胃部，而不是經氣管到達肺部。他觀察到人體喉嚨處會有軟骨 ( 會厭軟骨 ) 引導食物和液體越過氣管上端喉頭進入食道。也因此他認為食物為了要通過食道被身體用物理性的磨碎 ( 像是用牙齒咬碎 )，是消化必須的一部分 。

其後的中古時代，在宗教的影響下，人們相信身體是上帝所創造，解剖身體是破壞上帝的創造物，教會禁止解剖人體，因而阻礙了醫學和解剖學之發展。直到文藝復興時期，義大利數學暨物理學家博雷利 (Giovanni Alfonso Borelli, 1608-1679) 根據伽利略 (Galileo Galilei, 1564-1642) 的力學原理，解釋動物肌肉與骨骼系統的運動情形 。其著作《論動物運動》 (De motu animalium postum 1680-81)，詳細描述動物的運動是如何受機械規律影響，在機械的基礎上解釋肌肉的運動，以槓桿系統來描述骨骼和肌肉的運動 ( 下圖 )。他認為，消化是一種機械過程，胃分泌物在壓力的作用下流出，因此，胃能夠將食物磨碎，用胃液混合，形成稀的糊狀物 。

圖│摘自 1680 年 博雷利《論動物運動》
圖片來源：G. A. Borelli. (De motu animalium, 2 vol., Rome, 1680-81) https://pdfs.semanticscholar.org/2b41/3d809a71dba10a6347c4b6d0b5145d5f2272.pdf

不同於博雷利等人從物理學角度對胃消化的研究，海爾蒙特 (J B van Helmont, 1580 - 1644) 認為生命的本質是化學變化，生理現象可以用化學過程來解釋，開創了醫學化學學派，並把食物在人體的消化過程分為了六個步驟，其中第一步是「食物在胃裡與胃和脾臟產生的酸液作用」 ( 海爾蒙特曾嘗過鳥胃中的這種酸液 )。

之後，荷蘭解剖學家格拉夫 (Regnier de Graaf, 1641 - 1673) 用野鴨的羽軸插入狗的胰腺主導管收集胰腺的外分泌。此外，人類對於酶進行系統性研究則是從 17、18 世紀左右才開始，消化系統是當時高度關注的問題，科學家想瞭解食物在胃裡是如何被消化，當時主要以鳥類作為實驗對象，法國的化學家列奧米爾 (René-Antoine Ferchault de Réaumur, 1683～1757) 認為秃鷹在沒有砂囊的情況下也能夠消化食物。為了驗證此假設，他製備放有肉塊的金屬管並讓禿鷹吞下，有了金屬管的保護，砂囊便無法提供物理性消化，如磨碎食物。實驗結果顯示，生肉僅須接觸胃液便可消化，證明消化是化學現象，砂囊提供的物理消化僅是輔助。

斯帕蘭札尼 (L.Spallanzani, 1729 - 1799) 證實了列奧米爾關於胃液的消化作用，他空腹吞下裡面裝有咀嚼過麵包 (50 顆穀粒製成 ) 的亞麻製袋子，在 23 小時後，再把袋子拉出來觀察，發現麵包被消化。此外，他還首次進行模擬消化實驗，即提取出鳥的胃液與肉類或種子混合裝入瓶中，放在自己腋下保溫 2～3 天後發現裝入的物質開始液化。

如同前面所述，自古希臘時期就有科學家對於胃的內容物進行研究，探討消化作用究竟是純屬研磨的機械作用或是類似發酵的化學作用。然而，當時的醫學研究者對有機化學及生物化學的瞭解太少，無法解決這項爭議。直到 1823 年英國化學家普勞特 (William Prout, 1785 - 1850) 經蒸餾胃液分離才發現，胃內無機酸成分為鹽酸 (hydrochloric acid, HCl)，並將相關研究成果發表在《自然》(Nature) 刊學期刊，自此科學家即開始用鹽酸模擬人工胃液。這些歷程，為日後科學家在消化系統上的研究工作奠定重要的知識基礎。 

科學家許旺的故事

許旺 (Theodor Schwann, 1810 - 1882) 出生於德國諾伊斯 (Neuss) 這個古老的城市，父親先是金商，後來改行為出版商。父母親都是虔誠的羅馬天主教徒，在家庭環境的影響下，許旺一生也虔誠的信奉羅馬天主教，18 歲時進入波恩大學 (University of Bonn)，主要專攻醫學以及自然科學。許旺在那裏認識了穆勒 (Johannes Peter Müller) 教授。

兩年後，穆勒獲得柏林大學 (University of Berlin) 解剖學與生理學教授的職務，許旺跟隨穆勒到柏林大學，並在穆勒的指導下學習解剖學與生理學。1834 年，23 歲的許旺取得醫學博士學位，並接受穆勒教授的邀請成為他的研究助理，開始了他一生中最具影響力的科學研究。

許旺是一個安靜而嚴肅的人，他在實驗設備的構造和使用方面尤為有天賦。他能夠識別重要的科學問題，並設計實驗以系統地測試它們。許旺的寫作被描述為容易理解與清楚，並且，能夠將其發現的重要性有效地傳達給其他人。他的同事雅各布·亨勒 (Jakob Henle) 稱許旺為天生的實驗好手 (inborn drive)。

許旺開始研究消化系統

自 1823 年英國化學家普勞特 (William Prout, 1785 - 1850) 蒸餾胃液分離而發現胃內無機酸成分為鹽酸，人們就知道胃中存在酸的物質；隨著十九世紀生物化學的發展，人們認識到僅有酸是不足以完成一個完整的消化過程，可能還有其他重要因素參與消化作用。不少科學家嘗試觀察胃裡面的那些尚未消化完畢的食物，希望可以解開消化之謎。

海德堡生理學和化學教授鐵德曼 (Friedrich Tiedemann, 1781-1861) 和格梅林 (Leopold Gmelin, 1788-1853) 分別在 1820 年代，報告了有關動物消化的廣泛研究，促使內科醫師艾伯爾 (Nepomuk Eberle,1795-1834) 進行動物胃黏膜液 (Magenschleimhaut) 分解含氮食物 ( 例如凝結的蛋白，肉的「纖維蛋白」) 之研究。1833 年，艾伯爾發現動物的胃粘膜，不僅可以使蛋白質凝結並溶解 (dissolved)，而且會將蛋白轉化 (converted) 成不同化學型態的物質。因而推測：可以將固體食物乳化成食糜 (chymification) 之原因，並非以往科學家推測的是因為胃液中的鹽酸讓蛋白發生變性分解作用，而是胃粘膜液中存在某種重要的化學物質可以將食物進一步的轉化成其他物質。

圖│Theodor Schwann，石版畫攝影師馮·魯道夫·霍夫曼 (von Rudolf Hoffmann)
圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Theodor_Schwann#/media/File:Theodor_Schwann_Litho.jpg

由於，消化問題一直困擾著穆勒教授，因此，艾伯爾的報告引起穆勒教授之注意，在穆勒的另一個學生雅各布·格森 (Jacob Gerson) 無法解決消化問題後，穆勒教授於 1835 年 10 月將該問題移交給許旺進行。許旺萃取動物的胃粘膜來製作人工胃液：透過含有胃粘膜的人工胃液；以及僅有鹽酸的液體，來測試兩者液體分解食物的能力，發現僅有鹽酸的液體無法分解蛋白，這個現象不符合化學家普勞特的假設 ( 消化作用是胃液中胃酸產生的作用 )。在 1835 年冬天，穆勒教授和許旺證實僅有酸的成分並無法分解蛋白質。雖然，穆勒教授認為此階段調查工作已完成，然而，許旺並不滿足於這樣的結論，他還想知道胃液中除了鹽酸之外參與消化作用的特定物質之運作機制，因而開始更進一步的研究。

圖│僅有酸的成分並無法分解蛋白質
試管與量杯圖片來源：https://icon-icons.com/icon/science-beaker/126906

許旺在證實胃液僅有酸的成分是無法分解蛋白質後，並更進一步的研究胃液消化食物的運作機制。當時，並無法透過解剖學或顯微鏡來觀察消化的運作機制，因而，消化通常被認為，若不是物理作用就是一種化學反應。但是，許旺沒有採取任何預設立場，僅假設有某種具體的物質 (specific material agent) 參與消化過程，因此，反覆地繼續進行各種實驗，以尋找胃液中除了鹽酸之外參與消化作用的特定物質。許旺根據以往對消化實驗的觀察後發現，通常的作法是準備胃粘膜製成的人工胃液 (artificial stomach-liquid) 與石蕊試紙 (litmus test) 來進行實驗，因此，許旺先用鹽酸來處理胃粘膜製成的消化液，接著，將人工胃液用水稀釋，然後，使用亞麻布過濾，最後，再經過濾紙過濾，結果，得到一種仍然具有引發化學過程的能力之澄清的淡黃色液體 (yellowish liquid)。

許旺可以不斷溶解蛋白質的物質

許旺在得到了這種只溶有可以消化蛋白質的物質的液體後，開始著手研究這個物質的特性，希望可以從中推敲出這個物質是什麼，於是他開始了一系列的實驗。他在一組觀察這個物質分解蛋白質能力的實驗中，赫然發現這個溶有可以分解蛋白質物質的液體，竟然可以不斷的分解蛋白質。這個現象讓許旺感到好奇的原因在於，依照以往對化學反應的認識，通常參與反應的物質會被消耗掉，也因此只要沒有繼續添加反應中的任一個物質的話，反應應該最後會停止才對。可是現在許旺沒有繼續添加這個可以分解蛋白質的物質，僅僅是持續添加蛋白質，蛋白質卻依然繼續的被分解。

人的胃裡有可以加速分解蛋白質的物質

許旺在發現這個問題後，進一步想解釋胃中這個可以分解蛋白質的物質，分解蛋白質的機制。他聯想到同於柏林大學的化學教授米切爾里奇 (Eilhard Mitscherch, 1794-1863)，在一次實驗中，發現了若把硫酸添加到乙醇轉化成乙醚的反應中，會大大的加快乙醇轉變成乙醚的速度，而且於整個實驗結束後，硫酸並沒有被消耗掉。於是，米切爾里奇就把硫酸這種可以「催促化學反應進行」同時「自身不會被消耗而可以持續作用」的特性稱作「接觸效應 (effect by concact)」，此特性後來由瑞典化學之父貝采里烏斯 (Jöns Jacob Berzelius, 1779-1848) 定義為「催化 (catalysis)」 ( 有些物質可以在其他物質上進行與後者化學親和力很不同的動作，從而導致後者分解和重組，自己卻沒有出現變化 )。

許旺赫然察覺，胃液中的物質具有的特性與米切爾里奇教授提出的「催化」概念不謀而合，因此許旺推測胃液中可以分解蛋白質的物質是一種具有「催化」能力的物質 ( 也就是後世所稱的催化劑／酵素／酶 ) ，這個物質透過加速了胃裡面的蛋白質分解的反應，來讓胃裡的蛋白質可以大量的被分解，進而讓人體可以吸收獲取營養。

許旺把胃裡分解蛋白質的物質稱為「胃蛋白酶」

在找出了胃液裡可以分解蛋白質的物質是一種具有「催化」能力的物質後，許旺想要進一步了解可以影響物質促進蛋白質分解速度的因素，許旺進一步透過改變溫度、改變溶質、改變酸鹼環境等方式，來觀察此物質在不同變因下促進分解蛋白質的能力。於是許旺將這種淡黃色液體分別以加熱改變溫度、與酒精混合改變溶劑、加入不同酸鹼物質改變酸鹼值。
許旺從實驗中觀察到：

1. 當此物質被加熱過後，即使再等液體冷卻回常溫，此物質都沒有辦法促進蛋白質被分解。

2. 當此物質被溶在酒精中之後，就無法再促進蛋白質分解。

3. 當此物質只有在特定酸性的環境中 ( 接近胃液中的酸鹼值 ) 才可以分解蛋白質，而在酸性以外的環境中時，是無法分解蛋白質的。

綜合上面的實驗結果，許旺認為胃液中這種可以促進蛋白質分解的物質，會受到溫度和酒精的破壞而喪失「催化」的能力。「酶」的萃取溫度通常控制在 0~4˚C 左右，而胃蛋白酶則可在 37˚C  條件萃取；此外，「酶」反應只能夠在特定的 pH 環境條件下進行，酸、鹼會影響酶的穩定性，也會直接影響酶「催化活性」的能力，其中，胃蛋白酶的最適 pH 是 1.5~2.5。於是他綜合了上面的幾個特性，把這個物質命名為「胃蛋白酶 (pepsin)」，其名字來自於古希臘希波克拉底 (Hippocratic, 460-377 B.C.) 的體液平衡學說——人體攝取食物到排除的過程，稱之為消化 (pepsis)。

消化系統中有能加速分解食物的各種酶

許旺發現胃蛋白酶後，不少科學家嘗試以各種方法來萃取胃蛋白酶，研究胃蛋白酶究竟屬於何種化學作用，其中，包括 Jan Evangelista Purkyne(1787-1869)；Gabriel Gustav Valentin(1810-1883)，以及 Samuel Moritz Pappenheim(1811-1882) 與法國醫師尼古拉斯 (Nicolas Blondlot, 1808-1877) 等，皆對於許旺在胃蛋白酶的研究報告，提出了不同的意見。

後續科學家研究發現，許旺當時所發現的胃蛋白酶 (pepsin)，是一種消化性蛋白酶，由胃部中的胃黏膜主細胞 (gastric chief cell) 所分泌，功能是將食物中的蛋白質分解為小的肽片段。胃蛋白酶的前體被稱為胃蛋白酶原 (Pepsinogen)，這一酶原在遇到胃酸後被激活，進而成為胃液分解蛋白質的催化劑，加速胃消化分解食物，然而，當時的技術，許旺並無法分辨胃蛋白酶原與胃蛋白酶這兩者的差別。

圖│胃蛋白酶前體與活化

隨著布赫納 (Eduard Buchner, 1860-1917) 在 1897 年發現酵母菌能夠發酵其實是仰賴非生命力的酵素後，後續化學家研究也發現胃蛋白酶其實是一種酵素，即胃蛋白酶原受胃酸激化，進而成為胃液分解蛋白質的催化劑，加速胃消化分解食物 ( 催化劑可以加快化學反應速率，其本身的質量、組成和化學性質在參加化學反應前後保持不變 ) 。

既然許旺發現了人的胃會分泌含有胃蛋白酶的胃液來分解蛋白質，那麼不是蛋白質的其他食物又分別是在人體的哪些地方被消化分解的呢？它們也一樣像胃蛋白酶是透過酵素來幫助分解食物的嗎？後來的科學家發現人體口腔內分泌的唾液中，含有專門分解澱粉的澱粉酶 (amylase，1833 年由法國化學家佩耶 Anselme Payen, 1795 - 1871 發現 )，可以「促進」吃進身體內的像是米飯等澱粉食物分解成身體可以吸收的物質；而小腸中則有從肝臟分泌出來的膽汁、從胰臟分泌出來的胰液以及從腸腺分泌的腸液，其中膽汁雖然沒有酵素，但是可以直接把吃進身體的脂質初步分解，再透過胰液中可以促進脂質分解的酵素，把脂質分解成人體可以吸收的物質。同時胰液除了含有可以促進分解脂質的酵素之外，也和腸液一樣都含有可以促進分解蛋白質以及醣類的酵素，它們可以協助身體把在口腔內以及胃中沒有分解完畢的蛋白質和醣類分解掉。

1845 年，許旺因為在細胞研究上的卓越貢獻，獲得英國皇家學會科普立獎章 (Copley Medal)。1848 年，許旺轉任比利時列日大學 (University of Liège) 解剖學教授。1879 年獲選為英國皇家學會院士，同年，再度獲選為法國科學院院士。1880 年退休，於 1882 年去世。

參考資料

1. wiki Erasirastratus https://en.wikipedia.org/wiki/Erasistratus 章節：醫學irastratus
2. 《生物學發展史》pp.58-59 章節：亞歷山大的解剖學家
3. 《生物學發展史》p.300 章節：神經與肌肉的機制
4. 〈從生命科學發展史看生物學與生物技術〉http://nhuir.nhu.edu.tw/retrieve/5454/2010000106.pdf 章節：生物學發展史中控制生命的思想與實踐
5. 〈胃消化生理学研究历程分析〉http://www.xielwb.com/shenglixlw/103541.html 章節：博雷利等从物理学角度对胃消化的研究
6. 〈「醫史人文」026 期：肌肉是如何運動的？竟被一位數學家研究出來〉https://kknews.cc/science/axp6pa6.html 章節：肌肉怎麼運動?
7. 耶魯大學醫學院生理學實驗室，Regnier de Graaf 誕辰一百週年　https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/index.php/Paper_-_Regnier_De_Graaf_1641-1673　 章節：生活
8. 〈胃消化生理学研究历程分析〉http://www.xielwb.com/shenglixlw/103541.html 章節：列慕尔 ( 列奧米爾 ) 等人从化学角度对胃消化的研究
9. 〈「科學月刊」607 期：誰說酶有你的事？關於酶的科學小故事〉https://scimonth.com.tw/tw/article/show.aspx?num=4139&page=1 章節：食物怎麼消化？酵素一詞的誕生
10. M. Aminoff and Robert B. Daroff ed, in Encyclopedia of the Neurological Sciences, San Diego:Academic Press, 2003, p. 215-217
11. wiki Theodor Schwann https://en.wikipedia.org/wiki/Theodor_Schwann#Pepsin 章節：Career
12. wiki Magenschleimhaut https://de.wikipedia.org/wiki/Magenschleimhaut
13. Joseph S. Fruton, “A History of Pepsin and Related Enzymes”, The Quarterly Review of Biology, June 2002, Vol.77. No.2:128-130.
14. Parnes, O. (2003). From agents to cells: Theodor Schwann’s research notes of the years 1835–1838. In Reworking the Bench (pp. 119-140). Springer, Dordrecht. pp.124
15. 許旺是一位解剖學家和生理學家，他發展了細胞學說：https://kknews.cc/science/vy5gme2.html  章節：微生物，酵母和發酵
16. arnes, O. (2003). From agents to cells: Theodor Schwann’s research notes of the years 1835–1838. In Reworking the Bench (pp. 119-140). Springer, Dordrecht. pp.126
17. 陳石根，周潤琦《酶學》，九州圖書，(2002)，頁 263：第四節 pH 對酶反應的影響。