201｜染料：十九世纪的化学如何推动医学进步？

十九世纪德国化学发展迅速，而染料生产的进步大大推动了医学发展。

我是孙轶飞，欢迎来到《医学文明300讲》。

上一讲我们聊到了遗传学，我们知道生物的遗传信息在染色体中，那你有没有想过染色体为什么叫染色体呢？它又是怎么被发现的呢？

这要从德国的染料生产说起。德国统一之后形成了统一市场，这大大促进了工业的发展。同时德国非常重视教育和科研，也为工业发展提供了巨大助力。在这个过程中，化学的进步使得德国在染料生产方面领先世界。

让人意想不到的是，研发染料本来是为工业服务，却对医学产生了非常直接的促进作用。无论是研究细胞内部结构，还是药物开发，染料的作用都是不可替代的。今天我们就从染料这个新奇的视角，看看十九世纪的化学发展如何推动医学进步。

昂贵的天然染料与骨螺紫

首先聊聊为什么化学家对染料这么感兴趣。

其实人类一直对鲜艳的颜色非常痴迷。只不过在古代社会中获取染料非常困难，因此染料一直是价格昂贵的奢侈品，只有达官显贵才能享用。

比如在古罗马，紫色是最高权力和地位的象征。当时的人们只能从一种海螺的腺体中提取紫色，因此这种染料被称为骨螺紫。经过复杂的工艺之后，每个海螺也只能生产出一小滴紫色染料。因为生产难度大，产量低，所以古罗马的紫色染料价格极高。

根据考古发现，在公元四世纪初，1磅紫色染料的价格相当于3个成年奴隶的价格，足以说明紫色染料的昂贵程度。

而且想要提取这种紫色染料，需要让海螺腐烂，产生的气味相当难闻，以至于紫色染料产地的人们纷纷背井离乡。

而罗马人为了垄断紫色染料，甚至会把工匠的子女作为人质扣押起来。不得不说，罗马人对于紫色非常痴迷，以至于在罗马神话中都有为了获得紫色染料而冒险的故事。

正是因为对鲜艳色彩的迷恋，各个文明的人都曾在历史上寻找合适的染料。只不过因为科学水平的限制，在十九世纪之前，人们只能在自然界中获得染料。

从合成奎宁到苯胺紫

有趣的是，在药物研发的过程中，化学家意外发现了紫色染料。

1834年，德国化学家弗里德里希·龙格（Friedrich Runge）在研究煤焦油的过程中，用漂白粉处理苯，结果获得了一种蓝色的物质。

1855年，德国化学家奥格斯特・威廉・冯・霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann）对这种物质进行了研究，原因是他想尝试着使用化学方法合成奎宁。

我们之前讲过，金鸡纳树皮中含有奎宁成分，可以用来治疗疟疾。如果可以化学合成，将极大地降低成本。

霍夫曼有一位学生叫威廉・珀金，他受到老师的启发，也想用煤焦油制造出奎宁，但遗憾的是他对奎宁的化学结构并不了解，可以说这项研究开始得很盲目。但是，在实验过程中他歪打正着合成出了紫色的染料苯胺紫。

德国染料工业的扩展

珀金很快就发现，苯胺紫不但可以给丝绸染色，而且经过水洗日晒也不容易掉色。

苯胺紫让珀金大发横财，更是给化学合成染料的研究提供了巨大动力。

不但珀金接连研发出了绿色和红色的染料，其他化学家也纷纷投身其中。因为德国的化学工业水平高，所以十九世纪德国的染料行业保持了世界领先地位。直到第一次世界大战爆发前，全世界大约四分之三的染料都是由德国生产的。

华尔瑟·弗莱明与细胞染色

那么，染料工业是如何促进医学发展的呢？相信你一定知道染色体和有丝分裂，它们的发现就跟染料有关。发现它们的是德国人华尔瑟·弗莱明（Walther Flemming，1843-1905）。这里插一句提醒，发现青霉素的是英国人亚历山大・弗莱明，不要记混了。

华尔瑟·弗莱明的人生履历相对简单，先是在布拉格大学等著名学府学医，并在普法战争期间担任军医。战争结束后他回到大学成为教授，一边教学一边进行科学研究，并在生物学领域做出了很多贡献。其中最重要的两个就是发现染色体和细胞有丝分裂，而这两个发现之间又有很密切的联系。

在正常情况下，用显微镜观察细胞非常困难，因为我们很难区分细胞内部的不同结构，尤其是细胞核里的结构。而弗莱明想到了一个巧妙的办法，只要用合适的方法对细胞进行染色，让其中的不同结构呈现出不同的色彩，就容易观察了。

很显然，作为一名德国科学家，弗莱明很容易得到不同的染料进行实验，这是一项得天独厚的优势。

染色质与染色体的命名

经过染色以后，弗莱明发现细胞核里有一种成分可以被染成红色。因为是在被染色后发现的，所以弗莱明在1879年给它起了一个很直白的名字，染色质。

9年后的1888年，解剖学家瓦尔德耶-哈茨给它改名叫作染色体。

今天我们知道，染色体和染色质其实是同一种东西在不同阶段的不同形态。生物的遗传信息就隐藏在染色体中，所以弗莱明发现染色体是遗传学领域里程碑式的贡献。

观察细胞的有丝分裂

弗莱明还有一个重要发现，就是有丝分裂。他观察到，染色质在平时会非常散乱、没有任何规律地分布在细胞核里。现在我们知道，此时的染色质正在进行复制，这是为有丝分裂做准备工作。

当有丝分裂开始时，这些染色质会相互缠绕压缩，形成一些长条状的东西，这就是染色体。弗莱明也观察到了这个过程。

染色体是成对出现的，每一对染色体中有两条完全一样的染色单体，它们通过一个叫着丝点的东西紧密连接在一起。当染色质变成染色体时是最容易被染色的，它们也因此得以被弗莱明发现。

在细胞里还有一种叫作中心体的结构。两个中心体分布在细胞的两端，然后伸出很多叫作纺锤丝的细丝，它们像牵引绳一样，把成对的染色体分别拉到细胞内部的两边。

此时细胞两边各有一套染色单体，接下来细胞的中部开始收缩，并最终形成两个细胞。当细胞分裂结束之后，染色体再次变成了松散的一大堆。

因为在分裂过程中有纺锤丝这种细丝的牵引，所以这个过程被称为有丝分裂。

细胞学说与尚未贯通的发现

之前我们已经讲到，魏尔肖完善了细胞学说，提出所有的细胞都来自于细胞。而弗莱明利用染色技术，终于观察到了新的细胞究竟是如何出现的。毫无疑问，这对生物学和医学来说都是极为重要的发现。

不过，弗莱明虽然发现了染色体，却不知道它存在的意义是什么。而达尔文、高尔顿和孟德尔都坚信，人体中有微小的颗粒承载着遗传信息，但他们不知道这些小颗粒藏在哪。这几位十九世纪重要的科学家没能将各自的发现融会贯通，但他们都在自己的路上向前迈进了一大步。

染料工业推动药物研究的四个方面

刚才我们聊的是染色对医学的推动。接下来我们聊聊染色技术对药物学的推动。

• 首先是能直接合成药物。染料工业广泛地使用有机化学合成方法，在这个过程中，快速、大量地合成了种类繁多的化合物，而这些化合物之中，有些就可以作为药物使用，比如我们都很熟悉的阿司匹林，它就是染料合成过程中的副产品。
• 第二，染料工业促成了化学家对化合物的结构进行分析，这自然为药物学家研究药物分子的结构积累了丰富的经验。
• 第三，染料在生成之后还要进行精密的分离提纯，这些经验对于药物的生产提纯也有重要的意义。只有药物的纯度足够高，才能有效减少副作用。
• 还有最重要的一点，值得详细说一说，就是染色的选择性使得药物作用更加精准。

怎么理解呢？我们不妨思考一下染色的过程。

染色的过程就是染料与细胞相结合的过程。那如果染料不只是染色，还能对细胞的功能产生影响呢，这不就成了药物吗？

我们可以再想一下，细胞染色只是对其中的一部分结构染色，而不是对所有结构染色，这样才能产生颜色的差异，便于观察。也就是说染料与细胞结合也是具有选择性的，它们和细胞中不同成分的结合力是不一样的。

顺着这个思路继续想，人体细胞和细菌的构成是有区别的，如果某一种染料能够精准地和细菌结合，但是和人体细胞不会结合，而且这种染料还有毒性能将细菌杀死，这不就是抗菌素吗？

是的，诺贝尔医学奖得主保罗·埃尔利希正是利用这个思路，在 1910年开发出了世界上第一种抗梅毒药物砷凡纳明。我们之后会讲他的故事。

总之，十九世纪的化学研究促进了染料工业的发展，并直接推动了药物学的进展。最后我给你举两个例子，今天还在经常使用的磺胺类药物，以及曾经被广泛使用的抗疟疾药物氯喹，它们都是由染料化学发展而来的。

总结

历史上的染料一直价格昂贵，因此十九世纪化学家合成染料收益巨大，这促成了染料工业的进步。之后，染料被用于生物染色技术，华尔瑟·弗莱明因此发现了染色体，并观察到了细胞的有丝分裂。

而且染料工业也为药物学奠定了坚实的基础，很多药物都是由染料化学发展而来。

思考题

染料对于我们今天的生活影响还大吗？

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好啦，今天的内容就到这里，明天见！