諾貝爾獎與生活科技：維生素家族與諾貝爾獎
97/07/09
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曾琪淑｜
國立科學工藝博物館蒐藏研究組
我們都知道，人類攝取食物中的營養素以維持生命。其中醣類、脂肪可提供能量；蛋白質、礦物質用來建造身體組織；至於調節新陳代謝，協助身體對抗疾病，增強人體防禦機能的工作，就要靠維生素與礦物質了。維生素是人類酵素系統的要素，負責營養成分的分配，調節生理機能，充當輔助酶素，促進體內各類生化反應及生長發育，一旦缺乏，就會引起代謝紊亂，發生某些疾病。
在漫長的歷史中，曾經有一段黑暗歲月，許多不明原因的怪病層出不窮，摧殘全世界人們的健康，典型且擾人的有壞血病、腳氣病、夜盲症、癩皮病等，這些疾病到底是什麼原因引起的呢？這個和人類生命息息相關的謎團，直至 19 世紀末，才由瑞士巴塞耳大學研究生魯寧開始觸及。
他在 1880 年以科學實驗證實牛奶中含有一些生命必需的要素，人體缺乏這些要素便會導致死亡，至此拉開了近代研究維生素的序幕。後來才發現腳氣病肇因於缺乏維生素Ｂ，壞血病是缺乏維生素Ｃ所致 …… 這些發現挽救了無數生命，是科學造福人群的結果。
1913 年，波蘭科學家馮克從米糠溶液中分析出一種胺類化合物，由於它是生命體不可少的東西，馮克把它命名為「生命胺」（vitamine），由拉丁文「生命」（vita）與胺（amine）組成。然而隨著化學提純和分析技術的發展，科學家發現生命必需物質不全是胺類化合物，如維生素Ａ、Ｃ等。於是德國科學家德來蒙特把這名字改成 vitamin，一般音譯成維他命，營養學界所用的正式名稱則是維生素。
隨著科學的進展，愈來愈多的維生素成員被發現，逐漸形成一個龐大的家族。科學家們把它們分門別類，依發現順序以英文字母 A、B、C、D、E 等命名，然後把作用相近的歸為一族，一族裡有許多種維生素時，再按其結構標上 1、2、3 等數字以資區別。目前已知的維生素有 20 餘種，人體不能自行合成，必須從食物中攝取。為了滿足人們的需求，現在某些維生素也由人工合成。
顧名思義，維生素是維持生命的要素、隱藏在動植物體中的微量物質，是只要極微小用量就可增強、維持和修護人體組織的化學物質。這些神奇的物質是如何發現的呢？這段科學探索的過程雖然漫長，對於人類生命的貢獻卻無可比擬。近百年來無數科學家投入研究，成果卓然可觀，先後有 19 人因而獲頒諾貝爾獎。
維護眼睛的維生素Ａ
醫學上記載動物的肝有治療眼病、夜盲症等功效，最早見於唐朝《千金方》醫書，直到 1913 年，美國科學家台維斯等人終於揭開肝中之謎。他們在鱈魚肝油中發現一種神祕物質，溶於脂肪卻不溶於水，是維持生命和健康必需的微量因子，效力比魚肝油大數百倍，但是怕光怕氧，因此稱它為「脂溶性Ａ」。到了 1920 年，美國生化學家德拉黎德才正式把它命名為維生素Ａ。
由於動物肝中維生素Ａ含量豐富，因此可以治療乾眼病，肉食性動物體內的維生素Ａ可從被捕食的動物獲得，但是草食動物肝內的維生素Ａ從何而來呢？1928 年，美國科學家摩爾用胡蘿蔔餵老鼠，他和德國化學家卡勒以堅毅的實驗精神奮戰數年，終於證明只要在氧化劑的作用下，胡蘿蔔素可以轉化為維生素Ａ，並儲藏在肝臟中。人們常吃的青菜蘿蔔中就含有大量的胡蘿蔔素，透過人體肝內氧化酶的作用，可以轉化為維生素Ａ，源源供應人體所需。正由於這項成就，卡勒和摩爾被譽為維生素Ａ化學的奠基人。
由上述的例子，可見食物和維他命的關係密切。早在 1905 年，有位英國生化學家就對此進行一系列的實驗。他從蛋白質中分離出色胺酸，加入到膳食中，證實可以支持生長過程。1906 年，更證明色胺酸及有些必需的胺基酸不能在某些動物體內合成，必須從食物補充。
後來進一步研究鼠類飼料，發現如果只含蛋白質、脂肪、醣類及礦物質，而沒有維生素，鼠類是不能生存的，由此確立食物中須含有對生命必需的微量物質。這項貢獻使霍普金斯（Frederick Gowland Hopkins, 1861－1947）獲頒 1929 年諾貝爾生理醫學獎。
既然已經知道維生素Ａ存在的祕密，如果食物中缺乏維生素Ａ，首先受到影響的是哪個器官呢？答案是眼睛。早在 1925 年，美國生理學家弗里德里夏和霍爾姆就發現餵食老鼠缺乏維生素Ａ的食物，會使老鼠在黑暗中活動困難，分析其視網膜，發現缺乏一種叫視紫質的物質。經過嚴格的化學分析，科學家證明視紫質是由維生素Ａ和蛋白質聯合組成的，每感光一次，維生素Ａ就因化學變化而減少。
1938年，哈佛的生物學家沃爾德（George Wald, 1906－1997）的研究證明食物中缺乏維生素Ａ，會導致視黃醛的供應缺乏和視紫質減少，因而產生夜盲。沃爾德獲得 1967 年的諾貝爾生理醫學獎，主要的貢獻就在於發現維生素Ａ是視網膜感光色素的主要成分，是保持正常視力不可或缺的。
米糠水中的維生素Ｂ
缺乏維生素Ｂ引起的疾病，最著名的是腳氣病。它曾經像個百年幽靈，長期襲捲亞洲各國，奪走千萬人民的生命。1886 年夏天，荷蘭的艾克曼（Christiaan Eijkman, 1858－1930）醫生到荷屬東印度研究亞洲普遍流行的腳氣病，起初認定是細菌引起的，卻始終找不出致病原。4 年後，在他實驗室用的雞群中爆發多神經炎，表現與腳氣病極相似，經過多年研究，以米糠代替精白米餵雞就能治好病雞，也終於揭開了腳氣病的奧祕。
他斷定米糠中有一種物質可以治癒可怕的腳氣病，於是用浸泡米糠的水給病患喝，果然如仙丹妙藥般挽救了很多人的生命。這個米糠中的特殊物質就是維生素Ｂ1，艾克曼因為這項發現獲得 1929 年諾貝爾生理醫學獎。
1932 年，德國化學家庫恩分離出維生素Ｂ2。1935 年，他和瑞士化學家卡勒用人工方法合成這種物質，並試驗這種又稱核黃素的維生素Ｂ2 的活性。因為這種物質的發現在維生素Ｂ1 之後，因此稱為維生素Ｂ2。由於人工能合成Ｂ2，人類再也不需費事從牛奶蛋黃中提取它了。
另外，卡勒（Paul Karrer, 1889－1971）獨自合成了核黃素，並測定維生素Ａ及Ｂ2 的結構，因而獲頒 1937 年諾貝爾化學獎。庫恩（Richard Kuhn, 1900－1967）分離出維生素Ｂ6，提純核黃素，闡明其結構，在類胡蘿蔔素和維生素結構的研究上有卓越成就，也獲得了 1938 年諾貝爾化學獎。同年，瑞典生物化學家西歐瑞爾（Axel Hugo Theodor Theorell, 1903－1982）發現氧化酵素的自然性和作用性，弄清楚黃色輔酶的結構，證明它就是核黃素分子多接了一個磷酸鹽基，因此獲頒 1955 年諾貝爾生理醫學獎。
在 1920 年，美國病理學家惠普爾（Georg Hoyt Whipple, 1878－1976）證明用肝做飼料可促進狗的血紅蛋白再生。受到他這項發現的啟發，1926 年，波士頓的醫生邁諾特（George Richards Minot, 1885－1950）和墨菲（William Parry Murphy, 1892－1987）提出抗貧血病的肝臟療法，經試驗確認並分離出有效成分就是維生素Ｂ12。只要病人把肝做為飲食的重要部分，便能治好惡性貧血病。惠普爾、邁諾特和墨菲因而共享了 1934 年諾貝爾生理醫學獎。
對抗病毒的維生素Ｃ
壞血病是缺乏維生素Ｃ所導致的，病患的微血管會變脆，牙齦出血，牙齒鬆動，逐漸虛弱終致死亡，這種病特別盛行於長時間的航海中。1806 年間，英國海軍部採用倫達醫生試驗結果的建議，讓出海的士兵服用定量檸檬汁，從 1808 年後，壞血症便絕跡了，於是英國水兵和海員有了「檸檬人」的稱號，但當時並不知道治好病的原因。
1928 年，匈牙利生物化學家納基雷波特（Albert Szent-Gyorgyi Von Nagyrapolt, 1893－1986）從植物汁液及腎上腺萃取物中分離出一種有機還原劑，能夠把氫離子從一種化合物傳達到另一種化合物上。同時發現它有很強的抗壞血效果，因此稱為抗壞血酸，經過 4 年，證明並命名為維生素Ｃ。他又發現辣椒含維生素Ｃ特別高，每百克含有 110 毫克，是茄子的 25 倍，潛心研究下終於成功地從辣椒 中提取了數公 斤的維生素Ｃ， 因此獲得了 1937 年諾貝爾生理醫學獎。
那一年，英 國化學家霍沃斯（Sir Walter Norman Haworth, 1883－1950）在研究碳水化合物 與維生素的結構上也獲得突破，人工合成了維生素Ｃ，這是第 1 種人工合成的維生素，他也因而獲頒 1937 年諾貝爾化學獎。維生素Ｃ最主要的生理功能之一，是維持體內組織與細胞間質的生成，並維護其正常生理機能，可說是體內新陳代謝中潤滑劑的主要材料。
1970 年夏天，美國著名生理學家鮑林（L.C. Pauling），也是兩次諾貝爾獎得主，在多年研究維生素Ｃ的生理功能後，發表論文斷定維生素Ｃ有對抗感冒病毒的功能，可以預防感冒，引起美國一股搶購維生素Ｃ的風潮。近年來雖然也有科學家對這一說法不以為然，但對於維生素Ｃ增加細胞氧化還原的本領及抵抗疾病的能力，仍是一致認可的。
經陽光產生的維生素Ｄ
17 世紀後的歐洲，尤其英國的工業區，相繼出現一種奇怪的佝僂病，特別是勞工聚集且暗無天日的貧民窟中更為嚴重。有一派醫生認為病因是缺乏陽光，另一派醫生則提出「營養治療」說。經過實驗發現雙管齊下的治療效果更好，而把陽光和營養聯繫起來的就是維生素Ｄ。
佝僂病是缺乏維生素Ｄ所引起的，在一般食物中都含有Ｄ元，這是一種經過化學處理或光照會轉變為維生素Ｄ的物質。陽光裡的紫外線能把Ｄ元變成維生素Ｄ，經過化學處理的魚肝油中的Ｄ元也能轉化成維生素Ｄ。1920 年，麥科勒姆及其同事發現魚肝油既能治癒眼病，又能治佝僂病，他們斷定魚肝油中含有抗佝僂病因子，這種因子必定是第 4 種維生素，他們稱為維生素Ｄ。
1926 年，法國化學家溫道斯（Adolf Otto Reinhold Windaus, 1876－1959）發現陽光能把一種與膽固醇密切有關的甾醇轉變為維生素Ｄ，由麥角醇經光照合成維生素Ｄ，可治療佝僂病。麥角醇是由酵母、菇類分離出的一種固醇，經紫外線照射後會轉換成維生素Ｄ2，由於這一發現以及固醇類成分和相關維生素的研究成果，溫道斯獲得了 1928 年諾貝爾化學獎。
影響生育的維生素Ｅ
1922 年，美國加州大學伊萬斯教授和其研究小組，發現一種可能對動物生育有影響的維生素。這種物質是關係傳宗接代的法寶，他依維生素發現次序把它命名維生素Ｅ，直到 1936 年，才從麥胚油中提煉出結晶的維生素Ｅ。由於維生素Ｅ含有活潑的羰基，對動物的生育有顯著作用，因此又稱為「生育酚」。他以畢生精力鑽研維生素Ｅ，發現不僅用植物芽胚可提煉這種物質，在各類食物中也有其足跡，如肉、蛋、奶、肝臟、豆類、酵母等。
維生素Ｅ的特性是不溶於水，不怕熱、酸、鹼，就怕氧化劑。近代科學家繼續深入研究，發現維生素Ｅ有保護細胞核抗氧化的能力，具有抗衰老的功效，未來的應用價值更是不可限量。
凝血維生素Ｋ
1934 年，丹麥生物化學家達姆（Henrik Dam, 1895—1976）以小雞做實驗，發現一種具凝血功能的物質。經實驗證明是一種脂溶性維生素，存在於綠葉中，命名為「凝血維他命」（Kougalatian-Vitamin），取第 1 個英文字母稱為維生素Ｋ。
達姆從紫苜蓿中提取出維生素Ｋ之後的 3 個月，另一位美國科學家多伊西（Edward Adelbert Doisy, 1893－1986）在腐敗的魚肉中，也分離出一種和維生素Ｋ有相同生理功能的結晶，並確定它的結構。依發現先後，科學界分別把它們取名為維生素Ｋ1 及Ｋ2，兩人也分享了 1943 年諾貝爾生理醫學獎。
除了上述的維生素之外，其他的相關研究也是成績斐然。早在 1904 年，哈登（Arthur Harden, 1865－1940）研究發酵和酵素作用，證明有一種輔酶分子小到可以穿過膜孔，對於酵素的活性是不可少的。化學家們立即著手確定這種輔酶的結構，德國籍的瑞典化學家奧伊勒－克爾平（Hans von Euler-Chelpin, 1873－1964）首先在這方面獲得真正的進展，結果他和哈登分享了 1929 年諾貝爾化學獎。
另外，德國科學家克利伯（Hans Adolf Krebs, 1900－1981）研究細胞代謝，發現生物合成及碳水化合物新陳代謝的檸檬酸循環，揭示生物體內的糖經酵素分解變為三碳物質後，進一步氧化為 H2O 及 CO2 的路徑，和代謝能的主要來源，因而獲頒 1953 年諾貝爾生理醫學獎。
從 1880 年魯寧的實驗拉開研究維生素的序幕開始，至今全世界科學家苦心鑽研，累積一代代的研究成果，終於逐步揭開維生素的奧祕，造就多位諾貝爾獎得主。這頂桂冠指出科學研究的艱辛不易，也代表對科學家造福人類的敬意。既然所有生物都有獨特的生命，應該也有維持其生命的要素存在，科學家對維生素的研究只不過是個開端，可以預料，隨著科學的進展，明天的維生素家族陣容有無限擴展的可能。
