176｜罗伯特·布朗：谁命名了细胞核？

罗伯特·布朗医生在植物学、物理学和医学领域都做出了独特的贡献。

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上一讲我们说到，约翰内斯·穆勒培养出了一大批优秀的医生。在介绍穆勒的众多学生之前，我们要先来认识一位英国医生罗伯特·布朗（Robert Brown，1773-1858），因为他的研究对穆勒的学生们影响很大。

布朗不仅是重要的植物学家，他还命名了细胞核，为细胞学说的诞生做好了准备。而且，他对生命的理解间接促进了物理学的发展，启发了爱因斯坦，并反过来影响了医学发展。这是怎么回事呢？

从医学求学到植物探险

我们先来了解一下布朗的医学和植物学生涯。

1773年，布朗出生在苏格兰，之后去往了爱丁堡大学学医。在大学里，布朗跟植物学有了交集。

我们之前讲过卡伦的学生威廉·威瑟林，他对植物的药用价值很有研究，比如发现了洋地黄这种植物可以治疗水肿。而布朗在求学期间，就帮助威瑟林收集了各种植物。

而且在上大学期间，布朗就已经发现了一种新植物，并且发表了论文，可以说对植物学的热爱为布朗后来的研究奠定了基础。

在结束了大学学业之后，布朗成为了一名军人，并在1795年成为了外科医生助理。他所在的部队运气很好，没怎么参加战斗，于是布朗有了大把的时间继续研究植物。

1798年，更好的机会来了。当时一支英国探险队要去澳大利亚进行探险，原本的探险家芒格·帕克医生（Mungo Park，1771-1806）主动退出了这次探险。于是布朗毛遂自荐，跟随探险队去往了澳大利亚。

在这次长达4年的旅程中，布朗收集了3400多种植物，其中有2000多种是新发现的物种。在回到英国之后，布朗用了足足5年时间才把自己采集的标本整理完毕。

这些发现和整理，让布朗成为了那个时代最重要的植物学家之一。他不但成为了许多国家科学院的会员，更是成为了英国林奈学会的会长，以及大英博物馆植物学部门的第一位负责人。

显微镜技术推动微观研究

除了发现大量的新植物，布朗对医学和生物学还有一个巨大的贡献，那就是命名了细胞核。这毫无疑问是生命科学领域的巨大进展，但是这个过程说起来算不上复杂。只要有足够先进的显微镜，科学家迟早能对生物的微观结构进行研究。

因此，布朗命名细胞核背后的重点在于十九世纪显微镜技术的进步，布朗是率先把显微镜当做重要科学研究设备的人之一。那么我们就来看一下十九世纪显微镜技术的进展。

我们之前讲到，罗伯特·胡克使用的显微镜有三个镜片，属于复式显微镜。此时的复式显微镜放大倍数有限，因为十七世纪的玻璃镜片质量不过关，而且光学理论有所欠缺，所以图像就比较模糊。

而列文虎克的显微镜虽然只有一个镜片，但因为镜片质量高，反而有更大的放大倍数。但是复式显微镜的结构更先进，它只需要做一些改进就能有更大的放大倍数。这样的改进在十九世纪出现了，这得益于光学的进展。

消除色差，观察细胞核

我们平时看到的光线其实是七种颜色的光混合而成的，光在经过透明的东西时会发生折射，七种颜色的光因为波长不同会被分解开来，这就叫做“色散”。

详细的物理学知识就不多解释了，你只要知道，因为色散现象的存在，早期的显微镜无法把不同波长的光聚焦在同一个点上，就会形成“色差”，导致显微镜下的影像很模糊。

为了解决色散引起的色差问题，科学家们想到了一个巧妙的办法，他们把光学性质不同的玻璃组合在一起，从而尽量消除色散现象。用这样的方式制作的显微镜成像更加清晰，而且放大倍数也有了大幅度的提升，由此“消色差显微镜”诞生了。

自从有了这项技术以后，显微镜真正成为了科学研究的重要工具。之前的科学家只能观察到细胞的大致形态，很难了解细胞内部的结构。而布朗靠着消色差显微镜，实现了突破性的进展。

布朗毕竟是个植物学家，所以他首先用显微镜观察的就是植物细胞。然后他发现，不同的植物细胞里有一种相同的结构，这种结构的形态看起来就像是果核，所以布朗给它起名叫做“细胞核”（nucleus）。

命名与描述细胞核的三项意义

那布朗给细胞核命名并对它进行描述有什么意义呢？主要是以下几点：

• 第一，这是科学史上第一次明确地描述了细胞内部的结构。当我们知道了细胞核这个概念以后，再去看以前的研究成果就会发现，早在列文虎克绘制的显微学绘画里，就有了细胞核的形态，只不过他并不清楚这是什么。
  • 也就是说，在布朗之前，没人明确地对细胞内部的结构进行清晰、完整的描述，布朗在认识生命的结构这个领域向前迈出了一大步。
  • 要注意的是，布朗的功劳在于命名和描述了细胞核，而不是首次发现细胞核，他也没有认识到细胞的功能。
• 第二，为细胞理论的出现做好了准备。细胞理论是人类科学史上最重要的理论之一，而在提出细胞理论的过程中，很重要的一步就是对细胞核的认识，这个内容我们明天会详细讲。
• 第三，促进了显微镜的使用和发展。布朗的发现依赖于显微镜技术的进步，而反过来他的发现也证明，显微镜对科学家来说确实是实用的设备。这对显微镜的发展和细胞生物学等学科的发展很重要。

总之，罗伯特·布朗用显微镜观察并命名了细胞核，这对十九世纪的生命科学发展起到了巨大推动作用，医生们对人体的认识也越来越深入。

花粉运动与生命力猜想

布朗对生命科学的研究除了影响医学，还启发了物理学研究。特别是启发了爱因斯坦对于分子运动的研究。

你可能要问了，我们不是在聊医学吗，讲物理学研究是不是跑题了？还记得我们之前说过的吗，各个基础学科之间是相互联系、相互作用的，爱因斯坦对于分子运动的研究虽然主要是物理学的范畴，但对医学也产生了很大影响。

所以我们还是要聊聊布朗的研究对物理学的启发。

1827年，布朗有了一个想法：如果用显微镜去观察泡在水里的花粉，会发现什么呢？要知道，牛顿提出三大定律到此时已经100多年了，按照牛顿定律，花粉被泡在水中之后没有受到外力的作用，它们应该安静地悬浮在水中一动不动。

但是布朗用显微镜观察这些花粉之后发现，它们在不停地进行无规则运动，这种无规则的运动其实就是今天中学物理课本里讲的“布朗运动”。

当时布朗还没有那么清楚布朗运动的原理，在他看来，花粉的运动违背了物理学基本定律，想要给出合理的解释就只能从生命科学的角度入手。他想，有没有可能花粉天生就带有某种特殊的力量呢？

用实验检验生命力解释

布朗试图用这种生命力的抽象概念解释花粉的运动，接下来他就要通过实验来验证自己的猜想。具体的实验过程如下，感兴趣你可以看一看：

布朗最初观察到不规则运动的时候，使用的是新鲜花粉，他认为这些花粉具有生命力所以才会一直运动。所以只要将花粉的生命力消除，运动自然就会消失。

于是布朗将花粉晾干，但布朗运动依然存在；他又用酒精浸泡花粉，而且足足泡了11个月，但结果依然一样；他还找到了烘干以后保存了百年以上的花粉，然而结果还是没有变化。

最终布朗直接将煤炭磨成粉末泡在水里，但布朗运动依然存在。此时布朗依然没有放弃，他又使用玻璃、矿石、金属，甚至一些狮身人面像的碎片磨成粉末，但这些东西和花粉的表现完全相同。

证明了这种不规则运动跟生命力无关。

布朗的结论与当时的分子观念

反正经过实验，布朗得出了自己的结论：这种不规则的运动不局限于生物，只要粉末足够小、能够悬浮在水中，就都会出现这种运动。

这是没错的，但布朗进一步延伸后却走偏了，他认为这种不规则运动源自分子的运动，而分子是动物和植物体内存在的、特殊的、有生命力的小颗粒。这和今天我们对分子的定义是不一样的，我们认为分子本身并没有生命力。

所以，布朗描述的布朗运动和我们在中学物理课本上学到的布朗运动并不完全是一回事。但无论如何，布朗用生命科学的原理解释了布朗运动这一物理现象，这一现象激发了物理学家们对分子运动的兴趣。

爱因斯坦的解释与医学影响

多年之后，爱因斯坦也对分子进行了研究，他是这样解释布朗运动的：水分子非常小，和它们相比花粉已经是庞然大物了。水分子每时每刻都在不规则地运动，不停地撞击着花粉。

在某一个瞬间，这些分子的撞击会造成花粉受力不均，于是花粉就会运动。因为分子的运动没有规律，所以花粉的运动也没有规律。

爱因斯坦对分子运动的研究，对医学的影响很大。它对药物扩散、医学成像、免疫学、微生物学等领域都有影响，为现代医学的发展提供了重要的理论基础。

举一个例子，很多药物分子在体内的扩散、吸收、代谢和排泄都受到类似布朗运动的随机扩散过程的影响。爱因斯坦的研究告诉我们，这些分子的运动速度、扩散范围会跟哪些因素有关。

这样一来，医学家们就能计算药物在身体里的扩散速度，预测它多久能到达病变部位，进一步设计出更好的药物，让它更快或更精准地发挥作用。

总结

罗伯特布朗是十九世纪最重要的植物学家之一。他不但发现了大量的新植物，还用消色差显微镜观察并描述了细胞核的存在，这在客观上促进了细胞学说的提出，也提高了科学界对显微镜的重视。

而且他使用显微镜发现了布朗运动的存在，并用生命科学的理论对布朗运动进行了解释。尽管他的解释有一部分是错误的，但这启发了爱因斯坦对分子运动的研究，而爱因斯坦的研究又反过来促进了医学的发展。这再次证明，各个基础学科之间是相互作用、相互影响的。

思考题

除了今天讲到的芒格·帕克和罗伯特·布朗，你还是知道哪些著名的航海探险家是学医出身吗？欢迎你在评论区留言，把知识分享给我。

好啦，今天的内容就到这里，明天见！