1 希尔生平

1.1 早期人生

1.1.1 早年生活与求学

希尔的母亲很重视孩子的教育，她自己教授希尔“三R”（读、写、算）。希尔8岁时进入一所私立小学读书。13 岁时，在家庭医生的建议下，希尔一家迁往德文郡的蒂弗顿，第二年希尔在著名的白伦德尔学校做起了走读生。上学期间希尔逐渐展示出他的数学天赋。1905 年希尔进入剑桥大学三一学院学习数学，此前他通过了三一学院的奖学金考试，获得在剑桥学习的资格。1907 年希尔成为第三位剑桥大学数学学位考试甲等合格者（wrangler）。通常人们需要三年时间完成数学课程，而他只用了两年。

但是希尔对数学的兴趣在进入大学后有所衰减，尤其是纯数学和“那些离现实很遥远的东西”；他在剑桥的第一年里就开始认真考虑要放弃数学了。导师沃特·弗莱彻（W. M. Fletcher）了解到他的想法后，鼓励他从事生理学研究。希尔和弗莱彻有很深的友谊，他们有许多共同的兴趣爱好，还都擅长跑步。当时弗莱彻正和弗雷德里克·霍普金斯（F. G. Hopkins，1929 年诺贝尔生理学和医学奖获得者）在生理实验室进行离体蛙肌的化学以及乳酸的生成与氧化清除的研究工作。希尔听从了弗莱彻的建议，于1907 年10月在他参加了数学学位考试后没多久又开始了新的课程，这一次他选了生理学、化学和物理学。经过两年的努力学习，希尔参加了自然科学学士学位考试的第二部分，取得了第一名的好成绩，从而转变成为一名尚显青涩但却头脑敏锐的生理学家。剑桥的传统并不限制这种从其它专业不经学习医学直接进入生理学领域的途径，当时的生理实验室主任约翰·兰利（J. N. Langley）就有着与希尔类似的情况。在兰利的领导下，实验室里云集了一批杰出的学者，这对希尔的学术成长和研究工作产生了良好的影响。1910 年希尔被选为三一学院会员，他在三一学院一直待到第一次世界大战开始。

1913 年 6 月希尔和玛格丽特·凯恩斯（M. N. Keynes）结为连理。玛格丽特的父亲约翰·内维尔·凯恩斯（J. N. Keynes）博士多年在剑桥大学任教务主任，曾发表过两篇关于形式逻辑和政治经济的著名专题论文。母亲佛罗伦斯·凯恩斯（F. A. Keynes）曾在1932年被选为剑桥市的市长。玛格丽特的大哥就是大名鼎鼎的经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯（J. M. Keynes）男爵。

1.2 伦敦大学学院时期

1.2.1 科学活动

1923 年的秋天，在希尔身上发生了几件重要的事情。自 1899 年起在伦敦大学学院担任乔德雷尔生理学讲座教授（Jodrell Chair of Physiology）的斯塔林（E. H. Starling）受聘皇家学会的首位富勒顿基金研究教授（Foulerton Research Professor），希尔被委任为他的继任者，希尔因此举家迁往伦敦。这年 10 月，希尔“因为有关肌肉产热的发现”而被授予1922年度的诺贝尔生理学和医学奖。与他共享这一殊荣的是奥托·梅尔霍夫，获奖理由是“因为发现了肌肉氧的消耗和乳酸代谢之间的固定关系”。这是诺贝尔奖设立以来第四次因生理学发现而授奖——之前的获奖者分别是巴甫洛夫（1904年）、巴拉尼（R. Bárány，1914年）和克罗赫（A. Krogh，1920 年），也是诺贝尔奖第一次选中了一名英国和一名德国科研工作者。在颁奖典礼上，除了由约翰逊教授充分表述了研究工作的科学价值外，诺贝尔奖委员会还很高兴能有机会将此奖分给两个来自前敌对国家的同行。

自此开始一直到 1939 年，希尔度过了一大段平稳而又繁忙的时光。整个这段时间他的作品多达100余篇。希尔的学术活动和社会事务多了起来，他曾多次去美国进行学术交流。1924 年 10 月希尔在约翰·霍普金斯医学院（Johns Hopkins  Medical School）做了赫脱讲座（Herter Lectures）。这是希尔几度跨大西洋之旅的第一次，期间他加强了与美国同行布朗克（D. W. Bronk）、费恩（W. O. Fenn）、福布斯（A. Forbes）、盖塞（H. S. Gasser）、杰拉德（R. W. Gerard）、亨德森（L. J. Henderson）等的学术与私人联系。当然还有洛克菲勒基金会的官员们，他们是仅次于皇家学会和医学研究委员会的对希尔最忠实和慷慨的资助者。1927 年初，希尔第二次访问美国。他受邀担任乔治·费歇尔·贝克（G. F. Baker）化学讲师，在伊萨卡的康奈尔大学度过了几个月。希尔利用这次机会做了更多关于运动员的实验，其中有些成果发表在专著《人体的肌肉运动——调节速度与疲劳恢复的因素》中。这一年美国著名的哈佛疲劳实验室（Harvard Fatigue Laboratory，HFL）①成立，希尔所做的运动生理学研究也引出了实验室的大量工作。1930 年10月，应布朗克的邀请，希尔到费城做约翰逊基金会讲座（Johnson Foundation Lecturers），演讲出版后的题目为《生物物理学探险》。在这些演讲中希尔非常生动地描写了气压技术的发现和它的科学反响，以及他对神经、肌肉和血液等的物理化学的最新看法。

2 肌肉生理学研究Ⅰ——测热及其与肌肉化学

肌肉生理学是阿奇博尔德·希尔毕生从事的系列研究工作之一，其中包括肌肉测热与肌肉力学研究等具体内容。在这一领域希尔取得了举世瞩目的成就，并“因为有关肌肉产热的发现”荣获 1922 年度诺贝尔生理学和医学奖。希尔的肌肉生理学研究及其成就影响深远，他对离体蛙肌的系统研究也为他的应用运动生理学研究工作提供了思路并奠定了理论基础。

2.1 有氧恢复热

2.1.1 准备工作

1909 年 11 月剑桥大学生理实验室主任兰利写信给希尔，建议他今后致力于离体蛙肌的热力学效率研究：

弗莱彻和霍普金斯的工作就肌肉的有氧、无氧工作效率提出了一个特别重要的问题。……一旦深入钻研这个问题将会有很多实验可做，并且这个问题对于肌肉生理学而言是非常重要的。

兰利指出弗莱彻和霍普金斯已在相关方面做出重要贡献，与他们同在一个实验室会非常有利。兰利还送给希尔已故的布里克斯教授设计的热电偶记录仪，希尔修缮和改进了这部残缺不全的仪器，利用它开始了肌温研究（myothermic  work，研究肌肉活动时所产生的温度变化）。兰利的建议给希尔指出了一生从事的研究方向，在这方面他最早的作品出现于1910年。

在 19 世纪后期，德国在肌肉生理学领域处于领先的地位。这个局面是从著名的生理学家赫尔曼·赫尔姆霍茨开始的，他在 1848 年就首次对离体蛙肌的产热做了记录。利用三个热电偶和一个检流计相连，年轻的赫尔姆霍茨测定了蛙腿部肌肉长时间收缩时温度的上升。1847年赫尔姆霍茨发表了划时代的巨著《论力的守恒》，肌肉热的测定显然是他在思考能量守恒的情况下完成的。接下来研究肌肉产热的德国人是鲁道夫·海登海因（R. Heidenhain）和阿道夫·菲克（A. Fick）。海登海因在这方面的工作基本上都收入他在 1864 年发表的专著中。他发现如果肌肉在等长收缩时改变初始张力，或者改变肌肉的负荷从而改变其做功，肌肉释放的总能量也将发生变化。因此肌肉利用的能量很大程度上取决于它的长度和负荷。海登海因甚至开始从化学的角度检验自己的那些结论。菲克的名字主要在物理学界因菲克扩散定律①而为人所知。不过生理学家也一样应该记住他，因为他创造了肌肉“等长（isometric）”和“等张（isotonic）”收缩②的名词。与海登海因不同，菲克和他的学生们对肌肉热的研究持续了很多年，他们的研究成果集中在菲克 1882、1889和1903年的专著中，前面提到的马格努斯·布里克斯就是菲克最出名的学生。此后，奥托·弗兰克对所有的早期工作进行了记述，于 1904 年发表。弗兰克本人从未从事过这个领域的工作，但他却能从多得惊人的矛盾证据和可疑结论中挑选出重要的结果和富于成果的思想。进入 20世纪，对肌肉热研究做出重要贡献的还有卡尔·比克尔，比克尔发表过一篇有关肌温技术的详细综述，描述了所有以前的研究者使用过的方法。

就像兰利所直觉到的那样，测热方法的应用很快引出了关键的实验。希尔制作了新的热电仪器（thermo-electric apparatus），可以很快测出百万分之一度以内的温度上升，并得到检流计偏转的图形记录（图 2-1，图 2-2）。

2.2 无氧延迟热及负延迟热

2.2.1 无氧延迟热的发现

当最初发现肌肉在氧气中的延迟产热时，希尔便很自然地把它与弗莱彻和霍普金斯确立的乳酸氧化清除联系起来，并且开始着手探索当没有氧气存在时肌肉收缩后是否也会产热。结果他一无所获！那时的方法不够精确，无法探测到实际能够产生的少量延迟热。不过，没有无氧延迟热倒是非常符合弗莱彻和霍普金斯的研究结果，以至于希尔也没有多大动力去继续探索。一战过后情况出现了改观，由于技术得到了改进，1920 年希尔和哈特里发现，肌肉在氮气中受刺激后的 3 分钟内有少量持续产热的迹象。此后他们共同发表了两篇论文，提出了无氧延迟热（anaerobic delayed heat）的存在，并描述了它的主要特征。

首先，希尔和哈特里特意对肌肉收缩后恢复阶段的产热过程和数量进行了细致的再研究，从而确定了在尽可能没有氧的情况下延迟产热的存在、数量以及时间关系。通过在不同温度下以不同持续时间施加强直性刺激，二人比较了蛙缝匠肌的有氧和无氧恢复产热。他们发现二者都始于一个低水平，上升至最大值后又缓慢下降为零，在20℃时整个过程用时 10 分钟，较低温度下则更长，刺激作用时间的长短对两种延迟热有类似的影响。不过前者远大于后者，可以看出在氧气中和在氮气中恢复产热的曲线形态之间具有固定的差异，因为前者总是更快上升，也更快从最大值下降。所以尽管在氮气中延迟产热的最大速度约为在氧气中最大速度的一半，但总产热量却是后者的三分之一（图2-3）。

3 肌肉生理学研究Ⅱ——肌肉的力学................. 35

3.1 从弹性体学说到粘-弹性学说....... 35

3.1.1 坚持弹性体学说 .............. 35

3.1.2 最大机械效率和等长热系数................ 38

4 神经生理学研究........... 64

4.1 神经产热的研究 .......... 64

4.1.1 神经测热的背景与意义.......... 64

5 运动生理学研究 ............... 89

5.1 最大吸氧量................... 89

6 其它研究工作

除了长期从事肌肉生理学和神经生理学的系列研究外，希尔也在基础生理学的其它领域广泛涉猎，内容包括扩散现象、渗透压和蒸汽压以及体内水的存在形式等诸多问题。其中对尼古丁和箭毒作用方式的动力学分析事实上成为饱和公式的先声，而他在分析血红蛋白氧合过程时所提出的经验公式更是在生物学界人所共知。

6.1 饱和公式的先声

希尔发表于1909 年的最早的论文是关于尼古丁与箭毒作用方式的。这是兰利教授当时感兴趣的一个课题，他把它推荐给了希尔。尼古丁和箭毒都能阻断神经对肌肉的刺激作用，但是尼古丁本身能够引起肌肉收缩，而箭毒不能。兰利主张这两种物质在产生特定效应时与细胞的某些成分发生了可逆的化学结合，这些成分被称为“感受质（receptive substance）”。

希尔用数学和物理化学的方法在蛙的骨骼肌上验证了这二者的作用方式。他记录下蛙的腹直肌在尼古丁稀溶液中浸泡后的收缩曲线，以及它在收缩后置于任氏液或箭毒溶液中的放松曲线，得出两种情况下肌肉收缩程度的方程：

希尔还计算了由尼古丁引起的肌肉收缩的温度系数。已知化学过程的温度系数远大于物理过程，譬如通过一层膜的扩散作用的温度系数仅约为 289。希尔求得的平均值为17340，这个结果太高，因此尼古丁的作用不可能是纯粹的物理过程。相反，结合前面的结论，温度系数的高水平表明尼古丁与“感受质”的结合具有一般的化学性质。另外，收缩后由箭毒引起的肌肉放松的温度系数也很高，所以箭毒的作用也是通过与肌肉的某种成分发生化学结合来完成的。希尔的研究为兰利的观点提供了有力的证据。

7 结语

阿奇博尔德·希尔作为肌肉生理学和运动生理学领域的杰出代表，他的科学贡献是不容忽视的，值得我们发掘整理和重新认识。本文通过对希尔的生理学研究经历和历史贡献进行系统梳理总结，就以下方面得出个人见解。

7.1 希尔的生理学研究具有鲜明的特色

希尔的生理学研究涉及肌肉、神经、血红蛋白、运动人体等等各种对象，总体来看，他的生理学工作具有以下两个特点。

7.1.1 物理学理论和方法的运用

肌肉和神经生理学研究是希尔长期从事的主要工作，测热是希尔开展这两方面研究的鲜明特色。希尔主要通过测热来揭示其功能活动的特征和规律。自赫尔姆霍茨首次对肌肉和神经的测热以来，测热研究得到后继者的不断发展。而这项工作在希尔这里发扬光大，他将测热技术的改进和应用发挥到了极致的程度，并实际上领导了生理学界的测热研究。在相关领域内，希尔主要运用热力学的基本原理来分析这些研究对象的生理现象，他的这些工作是属于生物物理学范围的。

而事实上，从希尔开展科学研究的早期，他就已经引入物理化学的概念，并强调在分析现象时量和数的观念与运用，这成为希尔生理学研究的显著标志，也发展为他后来对生理科学的一项主要贡献。20 世纪以来，物理学概念和方法渗入到生物学领域的情况更加明显，在研究肌肉收缩过程中热力学成为主要的参与者。希尔不但开展肌肉和神经的热力学研究，还将物理学的理论和方法运用到其它各个方面。希尔在1931年出版了《生物物理学探索》一书，并将这种“探索”一直推向前进。目前，希尔被认为是生物物理学领域许多学科的创立者。

7.1.2 采取从基础研究到应用研究的路线

希尔没有将视野仅仅局限在离体的、动物的研究对象上，而是还关注在体的、人体的研究对象。他重视基础理论、知识的印证与应用，并把肌肉生理的基础研究与人体运动的应用研究联系起来，创造性地提出一系列新的概念和理论，从运动代谢的角度初步构建起运动生理学的框架体系，奠定了这一新学科的基础。这是希尔生理学研究中一条独特的路线，因为运动生理学重要的理论即最大吸氧量理论和氧债学说的形成，事实上起于希尔对离体肌肉的测热研究。因此没有这些基础研究工作，也就没有运动生理学的创立。这在客观上教育人们应该重视基础性研究。

在科学史上，希尔采取这一路线具有重要的意义。它使得一个新的学科分支从生理学中独立出来。同时，他的这一举措也架设起沟通理论与实践的桥梁，拉近了基础科学与现实生活的距离，改变了人们认识身体运动的观念，促进了运动与健康科学的发展。因此希尔的这一选择不仅产生了重要的学术影响，而且具有深远的现实意义。

参考文献（略）