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1929 · 維生素的發現：艾克曼與霍普金斯讓食物裡有了「看不見的必需品」#

1929 諾貝爾生理學或醫學獎（共享）：克里斯蒂安·艾克曼（Christiaan Eijkman，荷蘭）— 表彰「發現抗神經炎的維生素」；弗雷德里克·戈蘭德·霍普金斯（Sir Frederick Gowland Hopkins，英國）— 表彰「發現刺激生長的維生素」。

懸案（案情提要）#

1910 年前後，兩樁看似不相干的謎案同時懸在桌面上：

案件甲（東印度群島的怪病）：爪哇、爪哇的監獄裡，犯人與家畜同時出現一種怪病——腳麻痺、肌肉萎縮、水腫、心跳加快、抽搐，患者臥床不起，死亡率可達三成。當地華人已經知道解法：吃糙米。1873 年統計發現，吃白米（精製米）的監獄中发病率是 37.5%，吃糙米的僅 0.1%。

案件乙（英國的孤兒實驗室）：1911 年起，Elstree 實驗室裡的小鼠（Frederick Gowland Hopkins 團隊）在以純化酪蛋白、豬油與酵母為主的飼料上「停止生長」——不是生病，而是停滯；一旦加入少量Casein 之外的真實食物（如蔬菜），牠們便繼續成長。究竟食物中除了蛋白質、脂肪、糖、鹽、水、無機鹽與維生素之外，還有什麼在起作用？

兩案在 1920 年代交會：同一族物質——維生素。

前因#

年份 事件
1880s 克里斯蒂安·艾克曼在爪哇（印尼）任軍醫，目睹腳氣病（beriberi）在監獄、軍隊與家畜中流行。
1890 艾克曼發現：食用糙米（含胚芽與糠層）的雞不會發病；改餵精製白米則發病。他甚至用雞做模型成功了。
1896 艾克曼發現抗神經炎因子溶於水、可被高溫破壞（不耐熱），並能治腳氣病；與此同時，腳氣病也可用發酵大豆（維生素 B 含量高）治療。
1897 艾克曼的後續實驗顯示，某些細菌能製造這種抗神經炎因子——這為「維生素可由腸道菌合成」的觀念埋下伏筆。
1901 霍普金斯發現色胺酸（tryptophan）為小鼠生長所必需，是從食物中鑑定的第一個胺基酸。
1906–1912 霍普金斯在 Elstree 的實驗證明：即使給予足量的純化蛋白質（酪蛋白）、脂肪（豬油）與糖，小鼠仍不生長；加入少量「含維生素的食物」即恢復生長。
1911 卡西米（Cassimir Funk）從米糠中分離出抗神經炎因子，因含胺基而命名為 vitamine（維生素）——當時人們以為所有這類因子都是胺類（此命名沿用至今，但「胺」的解釋是錯的）。
1926 艾克曼與霍普金斯的兩條線正式匯流，維生素的時代開啟。

調查#

第一幕：艾克曼的雞模型#

艾克曼的偵查方法極為精準：他把腳氣病從人類移到雞身上。實驗設計精巧：

關鍵結論：抗神經炎因子既非蛋白質、亦非脂肪、亦非醣類、亦非礦物質，而是當時分類學無法歸位的一類新物質。

第二幕：艾克曼的細菌學洞見#

1897 年他發現：雞腸道中的某些細菌能合成抗神經炎因子；若給雞服用使腸道菌受抑制的藥物（防腐劑），維生素缺乏症便會出現。這說明：

  1. 維生素是可被微生物合成的有機物；
  2. 人類與雞的疾病來源不同（人類主要是攝取不足——精製米取代糙米；雞則可能是吸收或菌群失衡）。

這一洞見在 40 年後被 Elvehjem（1937）定名為維生素 \(\mathrm{B}_{3}\) （菸鹼酸／niacin）並成為抗糙皮病因子時得到完美兌現。

第三幕：霍普金斯的「兩種食物」實驗#

霍普金斯的實驗設計是生物化學史上最乾淨的對照之一：

  • 組別 A：酪蛋白（純化蛋白質）＋豬油（純化脂肪）＋糖＋鹽類＋水 + 少量含維生素的補充食物（如蔬菜 extract）→ 正常生長；
  • 組別 B：同上但不含任何天然食物 → 停止生長。

這兩組的差異，就是「維生素」的存在性證明。他由此提出一個革命性的概念：食物中含有一類無法用當時已知的化學分類刻畫的微量必需物質。

這與當時的主流醫學理論形成尖銳對立——「維生素論」挑戰的是「蛋白質中心論（protein-centric nutrition）」。生理學家曾認為，只要蛋白質、脂類、醣類、礦物質與水齊備，營養就完整；霍普金斯證明這是錯的。

第四幕：命名與發現競賽#

1920 年代末，一場跨國競賽展開：

年份 發現 物質 提出者
1926 維生素 A 視黃醇類 霍普金斯與瓦爾布
1926 維生素 \(\mathrm{B}_{1}\) 硫胺素（thiamine） 楊（Janssen）与多特（Donath）
1928 維生素 C 抗壞血酸 森特-戈爾吉（Szent-Györgyi，見 1937-生物氧化與維生素C）
1932 維生素 D 抗佝僂病因子 斯皮爾曼（Spielmann）等人
1937 維生素 \(\mathrm{B}_{3}\) 菸鹼酸 Elvehjem
1938 維生素 \(\mathrm{B}_{2}\) 核黃素 布洛德（Broderick）與斯特恩（Stern）

維生素的定義也被霍普金斯式的實驗逐步形式化：一種微量即能維持正常生理功能、缺乏時產生特定疾病、且不能由其他已知營養素替代的有機物。今日的維生素定義不過是這一實驗邏輯的標準化。

理論裁決#

  1. 生化缺乏的數學模型：以生長速率對營養素濃度作圖，若某物質為必需且呈 Michaelis–Menten 型飽和：

$\(\frac{dW}{dt} = W_{\max} \cdot \frac{[V]}{K_d + [V]}\)$

對維生素而言， \(K_d\) 極小（微摩尔級以下），因此 \(K_d \ll [V] \ll K_{\max}\) 的區間極寬——這解釋了為何只需要極微量的維生素，也解釋了為何「缺乏」與「足量」之間有明確界線。 2. 限制因子定律（Liebig's law of the minimum）：霍普金斯的實驗實質上證明了限制因子思想——生長速率受限於最缺乏的那一個因子。這一定律後來發展為「Liebig 最小定律」的現代版本（Blackman 的限制因子定律），並是養殖與營養學的核心。 3. 抗壞血酸的還原化學：維生素 C 的作用機制在 1930 年代由森特-戈爾吉推導：它是某些氧化還原酶的輔因子，參與膠原蛋白合成中的羥化步驟：

$\(\text{Proline} + \mathrm{O}_2 + \alpha\text{-ketoglutarate} \xrightarrow{\text{ vitamin C}} \text{Hydroxyproline} + \text{succinate} + \mathrm{CO_2}\)$

缺乏時膠原蛋白無法正常交聯——這解釋了壞血病的牙齦出血與傷口癒合不良。 4. 維生素與酵素的關係：霍普金斯的學生與後人發現，多數維生素是輔酶的前驅物（如 B 群是 NAD、FAD、CoA 的組成成分），這一發現把營養學與酵素學縫合成一個體系——這也是 1953 年李普曼獲獎的CoA 發現的科學脈絡（見 1953-檸檬酸循環）。 5. 胺基酸的定向發現：霍普金斯 1901 年發現色胺酸是必需的胺基酸，為必需胺基酸的概念提供了第一個實例，也開啟了「以小鼠做生長試驗」的標準方法論——這套方法後來被用來鑑定所有二十種必需胺基酸。

追查支線（未結之謎）#

  • 艾克曼在 1900 年代後期與高上的（H. E. Armstrong）、揚（Casimir Funk）就「該因子是否為胺」發生爭議，1926 年的諾獎同時頒給他與霍普金斯，實質是對「實驗發現」與「理論詮釋」分離的一次制度性承認；
  • 維生素 \(\mathrm{B}_{1}\) 的化學結構與人工合成要等到 1936 年才完成（Eijkman 的學生 W. H. Jansen 找到硫胺素；R. R. Williams 於 1936 年合成）；
  • 維生素 D 與佝僂病、以及日照—維生素 D—鈣代謝的關係，是 1910 年代由赫爾（Huldschinsky）用紫外線實驗接續的另一支線（見 1903-光線治療狼瘡）；
  • 艾克曼自 1898 年起即被諾貝爾委員會提名，終其一生獲提名九次，1929 年終於獲獎——史上被提名次數與獲獎落差最大的案例之一；
  • 維生素 A 缺乏與菲比格「線蟲致癌」案的關係（見 1926-鼠癌錯案）是維生素學與癌症學交叉處的一樁著名誤判。

證物與數據（偵查卷宗摘錄）#

證物 數值／內容 偵查意義
爪哇監獄糙米 vs 白米 發病率 0.1% vs 37.5% 流行病的決定性對照
雞模型 精製米→麻痺；糙米→正常 腳氣病首次有實驗模型
熱穩定性試驗 因子不耐熱 排除蛋白質
水溶性 因子溶於水 與脂溶性維生素分流
細菌合成實驗（1897） 腸道菌可製造抗神經炎因子 維生素 \(\mathrm{B}_{3}\) 的伏筆
霍普金斯兩組實驗 加天然食物→生長；不加→停滯 維生素存在性的證明
色胺酸（1901） 第一個被鑑定的必需胺基酸 「必需」概念的第一例
命名（1911） Funk 的「vitamine」 維生素家族的正式誕生

後果#

領域 影響
營養學 從「吃飽」到「吃對」的轉型；食物強化（食鹽加碘、麵粉加維生素 B）成為公共衛生政策。
醫學 腳氣病、壞血病、佝僂病、糙皮病從「神秘地方病」變成「可預防可治療」的疾病。
工業化 維生素製藥成為產業；維生素 C 的工業合成（1930s）使大规模生產普及。
實驗方法論 「以小鼠做生長試驗」成為營養學、藥理學與毒理學的標準工具，國際標準化方法（A.O.A.C. 等）由此建立。
其他諾獎 與 1937-生物氧化與維生素C、1943-維生素K 同屬維生素系列。

關聯#