生物学家们曾认为，在肌肉中纤长的细丝状分子的卷浇，使得肌肉如同橡皮一样受热时会收缩。依靠X线和电镜技术来探测肌肉结构的研究工作，揭示了肌肉收缩时伴随着肌微丝的滑行运动。

1948年，我在剑桥的那个初创的医学研究委员会研究小组当研究生。我试图通过用X射线衍射法分析幼蚊的大唾液腺细胞的染色体，由此开始我第一次对天然的生物结构的研究。在这个研究小组里，唯独我的工作失败了。究其原因，一是由于我缺乏具有足够强度的X射线源，另一是我对X射线图谱的观察部位发生了差错。从我开始从事肌肉研究工作时起，我是够幸运的。当时，电镜图谱不能反映完整的活体肌肉的微丝结构，但是，我自己坚信在这一结构中必定存在着许多重复结构。为此，我制造了一架低角度的X射线摄像机，以分辨出大约有几百埃长度的结构间隙。由于我的主管人约翰 · 肯德鲁（John Kendrew）的斡旋，我又交上了好运，获得了一只微焦X射线管的试制品，这种X射线管是由伦敦别克拜克学院（Birkbeck College）贝纳尔（J. D. Bernal）实验室的艾伦伯格（W. Ehrenberg）设计的。

这只X射线管能给出一个小而明亮的X射线源，事实证明它的强度已经能够在X射线底片上用大约三小时时间来获得较强的蛙缝匠肌的映像了。由此获得的照片第一次揭示了微丝在肌肉中形成了两组六角形的排列。很幸运，我发现了这样一种排列井然、能给出相对较强衍射的结构。具有这种结构的样品标本，其极大部分是一种能够给出X射线衍射图形的确定走向的结构组织。肌肉的这些特性，不仅使之能够成为一种研究其本身结构的良好系统，而且还能够作为一种开发建立许多不同测试技术的理想材料。

我首先必须找出如何把解剖后的离体肌肉在良好条件下保存2 ~ 3天的方法（我在早期接受的物理学方面的教育中并没有学过这类知识）。然后，我再设法记录下沿肌纤维长度方向上约有400埃长的周期性肌结构映像。周期性结构之间的间隙在肌肉伸展时不发生变化。在那个时期，由于我们对于超出光学显微镜的分辨率的那部分结构确实一无所知，所以，即使是这样粗略的资料也足以使人感到兴奋。仅仅根据这寥寥无几的几个映像，也很容易建立起细致描写肌肉收缩的理论。当然，这些理论是错误的，不过它们也包含了部分基本的真理。出于对这些问题的思考，我深深感到应该再用电镜作进一步的观察。

在1951 ~ 52年期间，只有少数几个实验室拥有分辨率高于10埃的市售仪器设备。研究人员利用这种仪器观察到了诸如病毒之类的分离生物体，但是还没有人建立起一套用来制备完整生物组织标本的完善的方法。正是巧合，当我来到美国的时候，那里的研究人员在发展固定、包埋和切片电镜样品标本的技术上已取得了长足的进展。到了麻省理工学院生物系后不久、我就已经能够制备肌肉横切面标本了。在电镜下，这些切面标本显示出了我用X射线法研究时预料的那种肌微丝的双重排列。很自然，这使我感到高兴，而对我印象特别深刻的则是我意识到了通过两种不同的技术方法，人们可以从多少具有正常活体状态的肌肉中获得有关结构的信息。X射线映像所包含的信息在某些方面是使人难以思虑的，但是这种信息所反映的则一定是正确的。另一方面，电镜也可能给出各种膺像，但是至少它是用一种易于使人们理解的形式呈现标本结构信息的。所以，把这两种技术结合在一起，可以使人们两处受益。人们一方面可以利用X射线技术从而能够给出X射线映像的结构中较直接地观察这种结构的本质。另一方面，利用这些映像的可靠性来验证电镜所给出的结构的真实性。这样，我有充分的信心认为我对肌肉结构构成的总的结论是正确的，即肌肉是由一列两种类型的微丝构成的。

取得上述的研究成果后不久，我和（后来的）简 · 汉森（Jean Hanson）——那时我俩还都在麻省理工学院——发现这些微丝之一的肌球蛋白仅存在于所谓的肌肉的A带中，另一些微丝，肌动蛋白，则存在于从Z线至H区的边缘部分。通过电镜，我们能够看到这种双重的微丝排列仅出现在A带的覆盖区域内。从H区所在部位获得的横切面标本只显示粗微丝（即肌球蛋白），而从I带所在部位获得的横切面标本只显示细微丝（即肌动蛋白）。这样，尽管由X射线图像所作出的那种双重排列的预见确实存在于实际的肌肉结构中，但是这也仅仅阐述了整个肌肉结构中的一部分。我们还需要利用其他来源的证据来解释这种整体结构的本质。

一旦我们从电镜研究中获得新的证据，我们就可以再回过来分析X射线法的研究结果，更明确地解释它们究竟是什么。比如，我们对于肌肉伸展不会改变轴向映像间隙的观察结果表明，微丝的长度是恒定的。结合肌肉的光学显微镜研究结果，我们得出了“滑行微丝模型”，当肌肉收缩时，粗、细两种微丝彼此间会发生滑行。

在以后几年里，我以一位医学研究委员会外籍人员的身份，在伦敦大学学院（University College London）的生物物理系工作，我借助于电镜完成了大部分的研究工作。我有许多补救工作要做，要对那些即使是早些时候已获得的X射线图谱中的所有细节作出解释。最使我感到惊奇的是，我发现经固定和包埋后的肌肉标本仍然完好地保留着某些结构细节。X射线研究的结果告诉我，在肌肉结构六角形分布的点阵的三角点上，肌动蛋白微丝占据着相对固定的位置。但是我为之惊奇的是，在我把包埋于塑料中的肌肉组织通过适当的点阵平面作薄层切片后，肌动蛋白微丝的位置未发生变化。由于对标本的固定和染色作用过程不甚了解，所以我们对电镜图像的有效性一直持审慎的态度。然而我们渐渐地觉得好运气在向实验人员们微笑，电镜已能够给出许多肌肉组织的有序结构和分子聚集方式的图像。通过比较X射线图形和电镜图像，我们发现标本的固定不会引起肌肉结构的显著变化。这些研究的结果极好地证明了这类方法对维持标本中肌肉结构的完整性这一点是完全可以信赖的。不过我们还必须精确地确定这类方法在反映一些重要细节结构时的有效程度。

我已经能够利用诸如磷钨酸酒精溶液的重金属化合物来“染色”肌微丝了。经过这种化合物的处理，就能够在薄层切片标本中清楚地看到肌微丝结构。但是这样的方法是否能够反映细节和揭示肌动蛋白和肌球蛋白分子的聚集方式？对于这个问题，我经过大约一年的不成功的努力（1957 ~ 1958），得出这样的结论：这种染色方法太粗糙，以致不能揭示由X射线图形所反映的精细结构细节。于是我开始思考是否还有其他更能说明问题的染色方法。

一种有效的染色方法

两年前我曾找到了一种称之为负染色法的染色技术，我发现，如果把烟草花叶病毒用磷钨酸稀溶液进行干燥，该病毒的中心管就能显现出来。西德尼 · 布雷纳（Sydney Brenner）和鲍博 · 霍恩（Bob Horne）将此技术作了改进，使之具有更好的重复性。由此他们取得了噬菌体和腺病毒的漂亮照片，我和乔夫 · 佐贝（Geoff Zubay）对这一技术运用于其他大分子研究作了探索，我们发现尿甾烷基乙酸是一种极好的负染色材料。通过在核糖体和芜菁黄花叶病毒上的使用，我们首次看到了蛋白质亚基在小的球形病毒蛋白衣壳中的排列方式。我们在上述这些寻求能够符合X射线结果的方法的时候，获得了病毒衣壳蛋白亚基以立方体对称的排列方式。同时从X射线衍射法和电镜技术中获取信息资料，再次给我留下了深刻的印象。

在把负染色技术运用于肌肉结构分析之前，我只能采用分解肌肉组分的方法，它要求把标本制作得相当薄。要达到这一目的，我在标本中加入“松弛”溶液，以减弱肌动蛋白与肌球蛋白微丝之间的相互作用，然后再用机械方法将肌肉组织打成匀浆。接着我将这些微丝的表观特性与经过负染色研究的各种纯化肌蛋白模拟聚集体的表观特性进行比较。这是一种简便而富于成效的方法，它使我建立起如下概念：肌动蛋白和肌球蛋白微丝具有结构极性，在Z线和A带的中央管存在着极性的转换。这是滑行微丝型机理理论的必要条件。这种方法也揭示了肌动蛋白经其他蛋白质（如重链肌球蛋白或肌球蛋白的亚碎片蛋白质）“修饰”后所显露的特征面貌。后来证明这种特征面貌对鉴别其他非肌肉细胞中的肌动蛋白是有用的。简 · 汉森和杰克 · 罗维（Jack Lowy）发现利用这项技术还能揭示肌动蛋白微丝的内在双螺旋结构。今天，在探索肌肉精细结构的时候，这项技术仍然起着其特有的作用。

经过上述初期阶段的研究工作（我重返剑桥分子生物学实验室后继续了这些研究工作），我开始感到此时应该重新回到X射线衍射法上来，以取得对处于普通活体状态时肌微丝结构的新知识，同时也试图获取有关肌肉收缩时结构变化的动力学资料。而这要求我们具有长远的技术发展计划，因为即使是肌肉的X射线图形也是极微弱的，用常规的X射线管和摄像机进行图像记录时要花好多天。发展技术的必要性激励了我和肯 · 霍尔姆斯逐渐建立起一种大功率的旋转正极X射线管，这也是一种新型的低角度摄像机，我们称其为聚焦反射镜式单色仪。

这种摄像机与早先设计的摄像机比较，在图像记录速度上和图像清晰度上都有了显著的改进，同时它也为后来用于同步加速器辐射摄像机的设计奠定了基础。肯 · 霍尔姆斯（Ken Holmes）与其同事基尔德 · 罗森鲍姆（Gerd Rosenbaum）和简 · 维茨（Jean Witz），出于对肌肉图形的兴趣，他们首次揭示了用同步加速器辐射来为X射线衍射实验提供高强X射线源的巨大潜力。他们实验工作，为是否要建立欧洲分子生物学实验室（European. Molecular Biology Laboratory）及其在各处的分室的讨论，及时地投出了关键的支持票&欧洲分子生物学实验室是一个开发和经营高技术以高效率地利用新型放射源的机构。欧洲分子生物学实验室的创建者们也希望这一机构能够促进电镜技术的开发。后来的事实证明确实如此。在其他方面，这个实验室还建立了薄层速冻水合物标本的成像方法，这着实是一项重要的发展。

1970年代至80年代初，研究人员仍继续用X射线衍射技术来研究肌肉。由于技术的发展，今天的生物学家已能够在毫秒的时间水平上来观察肌肉收缩时的结构变化。在过去的几年内，许多领域中的研究人员已认识到，同步加速器辐射源不仅在生物学而且在物理学和化学中都具有很高的价值，好几个国家还建立了大量的专用存贮环。并且，更大规模同步加速器辐射源的建造计划也正在筹划中。事实证明这种辐射源在蛋白质晶体学中具有特别高的使用价值，目前，采集蛋白质晶体学研究中的整个数据组的数据只要几小时。

现在，我们采用具有时间分解的X射线衍射技术能够获得大量的肌肉收缩时其结构变化方式的信息。但是由此获得的信息往往仍然是令人迷惑不解的，正如当初我们面对平伏的X射线图像一样。因此，为了能充分地利用这一新的X射线技术提供的数据结果，我们还是离不开在同一瞬息状态时固定的相同结构的——即使相对地说是粗糙的——电镜照片的辅助。要取得瞬息状态时的结构的一个可能的方法，就是对肌肉进行（不超过一毫秒的）速冻，以图获得滑行微丝在其各种假想收缩构象中彼此之间所形成的联系。我们还需要有不致引起结构变化的显微丝成像技术。这是一项长期的工作，我们和其他一些科研人员的工作仅仅是开始。如果这项研究取得成功，那么它一定会给许多领域内的工作带来巨大的裨益。必须再一次指出，在这一领域内的研究中，肌肉起到了典范的作用。

[New Scientist 1987年5月21日]

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* 休·赫胥黎（Hugh Huxley）与汉森用X射线衍射和电子显微镜技术研究了肌肉超微结构，从而提出了肌肉收缩的肌微丝滑动理论，从分子水平解释化学能向机械能的转化。1962年赫胥黎加入了剑桥医学研究委员会分子生物学实验室，现任该实验室副主任。赫胥黎是英国皇家学会会员。