冯·贝凯希:从通信工程师到听觉研究开拓者

作者: 顾凡及

来源: 科学世界

发布日期: 2019-06-24

冯·贝凯希是一位从通信工程师转型为听觉研究开拓者的生物物理学家,他因对内耳耳蜗感知声音机制的研究而获得1961年诺贝尔生理学或医学奖。贝凯希的学习和研究经历展示了他在多个领域的广泛兴趣和深厚技能,以及他对科学方法和终身学习重要性的深刻理解。

2019年6月3日是生物物理学家贝凯希120周年诞辰。1961年,他因对内耳耳蜗感知声音的机制的研究被授予了诺贝尔生理学或医学奖。

1899年6月3日,盖欧尔格·冯·贝凯希出生于布达佩斯。他的父亲是一位外交官,因此他的幼年是在许多不同国家的不同城市中度过的。他从小从瑞士人那儿学到了工匠精神,而从德国人那儿学到了刻苦工作和对工作的热爱。

除了母语匈牙利语之外,他也从侨居国学会了德语、法语、意大利语,后来又学会了俄语和英语。贝凯希通过瑞士中学的毕业会考之后,由于年龄不足18岁而不能进入大学,因此有了半年的空档期。他利用这段时间,到车间里学会了锉工和操作钻床,这些技能后来在他获得诺贝尔奖的研究工作中起到了作用。

在瑞士读大学时,有一件事给了他非常深刻的影响。有一次,伯尔尼大学的一位教授在讲课时要向学生演示如何用氨制造肥料。

整个流程相当复杂,因为这是为大工厂而不是为实验室操作台开发的。在讲解完整个实验过程将是如何进行的之后,教授打开了设备。但不知道出于什么原因,整个设备一下子就发生了爆炸,所有的瓶子都碎了,幸而无人受伤。从这位教授身上,贝凯希领悟到不必为失败而垂头丧气。他后来回忆说:“我一生中最重要的经验之一就是,我发现犯错误,即使是一个大错误,也并不总是一无所获。

如果人足够聪明,而又犯了一个错误,他总是可以从错误中吸取教训以改进他的工作方法。”

贝凯希在大学里最初学的是当时很热门的化学,不过他觉得化学在不久就会变成物理学的一部分,所以转而改学物理,并于1923年在布达佩斯大学获得了实验物理学博士学位。不过,在一战结束不久的年代里,物理学家在匈牙利很难找到工作。而他的理想,是要找一个好的实验室。

环顾周围,他发现当时匈牙利唯一条件最好的实验室是匈牙利邮政局的电话系统实验室。这是因为,当时的电话通话质量很差,而匈牙利位于欧洲腹地,许多通信线路都要通过匈牙利,所以政府愿意出资资助这个实验室改进通话质量。

促使贝凯希关注听觉的主要原因,是对改进通话质量的迫切需要。当时,政府迫切地想知道影响电话通话质量的关键何在,从而可以决定把研究经费投到什么地方。贝凯希建议,应该把钱投到以前研究得最薄弱之处,这样,少量投资就可以有很大效果,他的这一建议得到了普遍赞同。经过调查之后,贝凯希发现,当时最薄弱的环节是微音器。他还发现,在性能方面,微音器膜要比人的耳朵差得多,于是他把关注点转向了耳朵的解剖结构方面。

尽管实验室负责人对贝凯希研究人耳功能很支持,但开始时他还是碰到了很大的困难,因为他只有物理学学位,所以没法得到尸体的头颅进行解剖研究。人们对他的解剖要求嗤之以鼻,甚至他的亲叔叔(一位解剖学教授)也声称只有医学博士才可以做解剖,而不应该由物理学家来做。幸运的是,解剖学院有两扇门,一扇前门供教授和学生出入,还有一扇后门则用来运送尸体。贝凯希发现通过后门可以取得许多头颅。

唯一的问题是,如何将它们带到他所在实验室的机械车间里。通过公关,最后,解剖学院的教授同意并帮助他获得了所需材料。

不过即使解决了材料问题,贝凯希的研究也并非一帆风顺。首先他要研究的耳蜗包裹在坚硬的颞骨深处,解剖刀和剪刀都无能为力。于是,他使用钻床来工作,这在解剖学历史上是第一次。不过,机床工人对他的工作深表不满,因为他们必须经常清理钻头上的人血和骨屑,这并非是一件令人愉快的工作。

为了避免这种情况,贝凯希发明了一种方法,将组织放入一个完全充满水或生理溶液的罐中。生理溶液从罐的右侧向左侧以恒定速度非常缓慢地流动,其流速可以调整到不会干扰用显微镜观察标本。这样一来,不但视野清晰,而且标本也不会变干。这个方法使他得以在科学史上第一次观察到基底膜以行波方式振动。

不过,贝凯希的结论并没有立即得到许多人的承认,因为他们提出,在人死后,基底膜的弹性和活着的时候可能非常不同。

为了消除这种怀疑,他通过在麻醉下解剖猫或豚鼠,观察活体动物基底膜的振动,然后通过过量使用麻醉剂杀死动物后再进行观察,很清楚地看到耳蜗中的振动模式在动物死亡期间根本没有变化。这样,贝凯希就提出了全新的行波理论。他发现,声音是以一系列波形从耳蜗的底部传播到耳蜗的顶部,不同频率的波在基底膜的不同部位达到最大振幅。对于高频刺激,行波的振幅最大值靠近内耳的入口处;而对于低频刺激,其峰值则在远端。

这就表明了,在内耳中存在频率的辨别机制。

贝凯希本来就是一位工程师,既然耳蜗太小不易看清,他就自己制作了各种各样大一些的、基本结构和耳朵类似的模型来进行研究。其中有一个是用黄铜和玻璃做的盒子,上面还有橡皮做的“卵圆窗”和“圆窗”。模型的中间有一个在顶端开口的橡皮隔层,盒子内部充满液体,并悬有煤灰和金屑以便于观察。

当贝凯希用一根短棍刺激“卵圆窗”时,他观察到液体中的悬浮物呈现波状运动,这种波动传向“蜗孔”。他还观察到,波峰并不在人造基底膜的末端。当他用不同频率的声音来刺激时,基底膜发生最大位移的位置也在变化。频率越高,越靠近“卵圆窗”。虽然这一模型并没有发现什么新现象,不过它还是形象地展示了贝凯希理论的基本思想。

正当贝凯希得以大展宏图之时,二战爆发了,他不得不全力去做政府交代下来的任务,而把听觉研究停了下来。战后,他先是去了瑞典,在那里研发出了一种听力计。一年后,又到美国定居,进一步研究感觉信息处理。

贝凯希的主要贡献其实在20世纪30年代就已经完成了,但是由于战争和其他原因,直到1961年他才被授予了诺贝尔奖。他获知得奖的过程还很富有戏剧性。

1961年10月19日,贝凯希正好要去纽约的华尔道夫-阿斯多里亚饭店领取美国耳聋研究基金会的成就奖。前一天晚上,他乘夜车从波士顿来到纽约,因此没有听到诺贝尔奖颁奖名单的发布。第二天一早,他去了纽约公共图书馆,这是他最喜欢的地方之一,直到中午他才去领美国耳聋研究基金会的奖。饭店大厅里聚集了一大群人,包括媒体记者,都想一睹诺贝尔奖获得者的风采。

戈登·胡普尔博士被派到了那里,因为他是当时唯一一个认得贝凯希的人。当贝凯希进入大厅时,胡普尔做了个手势,摄影灯旋即亮了起来,相机咔咔作响。贝凯希急忙退了出去,他以为一定是有外国高官到访,不想打扰。胡普尔博士连忙上前,将贝凯希拖回到聚光灯下,并对他表示祝贺。贝凯希觉得很奇怪,因为他要领的奖励并不是什么大奖项。

最后,胡普尔意识到,贝凯希显然是整个大厅里唯一一个还不知道他得了诺奖的人,随即对他说:“贝凯希博士,难道你不知道,你刚刚获得了诺贝尔奖吗?”贝凯希承认他还没有听到这一好消息,并问:“还有谁?”当他知道自己是唯一得主时,微笑着说道:“那更好!”

终其一生,贝凯希一直关心青年人如何学和老师如何教的问题。他认为这是事关国家竞争力的大问题。因此,到了晚年,贝凯希一直回顾他是从谁那儿学到东西的。

他说道:“我曾经很喜欢阅读百科全书和里面所讲的事实。百科全书帮助我认识到,如果让我们的头脑只填满事实,我们仍然做不了任何事情。所以,我终于得出了一个结论:读百科全书并不是学习科学的方法,因为即使其中最好的文章也只能给出一个概要;但是知道概要和实际应用这个概要还有很大的距离。由于事实并不十分重要,我感悟到,教师真正应该做的只不过是指出某些方向。我们可以由此开动自己的大脑。所以老师教不了我们太多东西。

他真正应该教给我们的是对工作的热爱,并引导我们对某些领域始终保持兴趣。我总是以这种方式来看待我的老师,我并不想向他们学习事实,只是想找出他们如何工作的方法。要是一位教师不能教给学生研究方法,那么他就给不了学生什么有用的思想,这是因为,学生将来在工作中要用到的事实一般来说总和他在课堂上所讲的事实有所不同。但是,真正重要并对一生都有用的是工作方法。这就是为什么我只对方法感兴趣。

这当然会给教学方法带来很多难题,因为很难考查一个学生是否懂得方法。如果只考查学生是否知道事实,这很容易,也很好评分。因此,今天的整个评价系统有一个很大的问题,因为和20年前相比,我们的头脑中塞满了太多没有多少价值的事实。当然,每个人都必须学习和知晓一些基本事实。”

贝凯希的这段话对呈现信息爆炸的今天尤其重要。他对年轻人的另几个劝告是:“(如果让我再次选择的话)我要尽早开始学习数学。

数学和几何仍然是学习高水平逻辑思维的手段。数学是一种语言。如果我们不在早年学习它,你将永远不能正确地学会它。因此,我们必须从一开始就学习数学。许多人之所以不喜欢数学,是因为他们开始学得太晚了。到老年时再学数学会非常困难,我们集中不起注意力。但是,如果我们在早年就开始学,那么其益处肯定会伴随我们终身。同样,我们必须要学会的并非数学公式等知识。公式表有许多,但我们要学习的是如何处理和解决问题的方法。

数学是所有科学的哲学,包括医学和普通哲学、化学、物理学,甚至社会科学。有些人能用图像来思考,他们应该研究几何。我非常喜欢几何,把几何和数学结合起来非常有价值。”

“许多人认为,大学毕业后,就不再需要学习了。这就错了。我希望能有更多时间与大学保持联系。一切都在迅速变化,一旦落伍就很难再跟上。”

“当年轻的时候,我能够整天工作,因为它非常有趣。但可以肯定的是,有效的工作需要一定的休息。

要有业余爱好,比如绘画或雕塑,这对任何人来说都非常重要,我会把它与科学结合起来。我但愿能尽可能早地一面学科学,一面学习雕塑、绘画或音乐,这样我的爱好就不会只是一种业余爱好,而可以达到一定的水平,这将使我感到满足。在研究科学之余搞点业余爱好,可以使人放松。我们无法避免在科学研究上有失败的时候,除了休息之外无法克服的真正失败。在小憩片刻时,爱好非常重要。因此,在我看来,业余爱好是必要的。

我可以通过有创造性的爱好来促进我的研究工作。”

今天科技的发展比贝凯希所处的时代要迅猛得多,因此,他强调的终身学习在今天就显得尤为重要。

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