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蔡翹7歲時，父親送他在本村私塾讀書，后又送他到鎮(zhèn)上藍田小學讀高小。1913年，蔡翹考入潮安縣金山書院（現(xiàn)省立金山中學），至1917年畢業(yè)。1918年，他只身赴上海復旦大學附中補習英文，同年到北京大學中文系當旁聽生。1919年秋，他受“五四”運動的影響，胸懷“科學救國”的志向，帶著家里給的不多的錢，從上海坐船經(jīng)日本到美國留學。他先后在加利福尼亞大學和印第安納大學學習心理學，用2年時間學完大學課程。1921年冬進哥倫比亞大學讀研究生，一學期后（1922年）轉(zhuǎn)入芝加哥大學生理系當研究生。在美求學期間蔡翹靠勤工儉學維持生活和學習，他曾在芝加哥大學生物學圖書館業(yè)余服務一年，一天工作2小時，以解決自己的學費和吃飯問題，并與多名中國同學，如吳有訓、周培源、潘菽、楊武之（楊振寧之父）、袁敦禮、張錫均等合租宿舍。有一段時間甚至與潘菽（中國科學院院士，心理學家，字有年，潘漢年的堂弟、潘梓年之弟，五四運動領導者之一，為火燒趙家樓后被捕的32名學生之一，已故）同睡一床，合蓋一床被子。他們自己起伙，輪流做飯，還在學校打零工。同時他潛心攻讀，注重提高實驗技能，在芝加哥大學文理學院學習期間發(fā)表了4篇論文。1924 年，蔡翹發(fā)表博士論文“大白鼠的記憶曲線”，翌年獲哲學博士學位，因?qū)W業(yè)成績優(yōu)秀獲芝加哥大學金鑰匙獎，并被推薦為美國解剖學會會員。

1925年夏秋之交，他繞道加拿大經(jīng)日本回國，就聘于2年前回國的同鄉(xiāng)郭任遠任職的上海復旦大學任教授，創(chuàng)建生物學科，執(zhí)教生物學和生理學。1926年，他加入新成立的中國生理學會（當時只有十幾人）。1927～1928年，谷鏡汧、顏福慶、張?]、林國鎬等人在吳淞創(chuàng)辦中國人自辦的第一所醫(yī)學院——國立中央大學醫(yī)學院（上海醫(yī)學院前身，現(xiàn)復旦大學醫(yī)學院），蔡翹受聘創(chuàng)建生理學科，任生理學教授，兼講授比較解剖學、組織學和胚胎學。在此期間，他首倡用華語教學；編著中國第一本大學用的生理學教科書；培養(yǎng)出一批中國早期的生理學工作者。1930年秋，蔡翹獲美國洛克斐勒氏基金會資助，赴英國和德國進修，先在倫敦大學著名生理學家C.L埃文思（C.Lovatt Evans）教授的實驗室從事糖代謝的研究，繼而在劍橋大學著名神經(jīng)生理學家，諾貝爾獎獲得者E.D.阿德里安（Edgar Douglas Adrian，lst Baron，1889～1977）教授的實驗室從事神經(jīng)傳導生理研究。經(jīng)埃文思教授推薦，于1935年成為英國生理學會會員。1931年冬在德國法蘭克福大學和其他大學的著名生理學實驗室進行短期進修。1932年春回國，繼續(xù)在上海吳淞的中央大學醫(yī)學院任教。1932年夏秋之季，他應聘到上海雷士德醫(yī)學研究所（Henry Lester Institute）任副研究員，1932～1936年系統(tǒng)研究了肝臟在糖代謝中的作用。1937年1月，他提前與雷士德研究所解約，到條件較差的南京中央大學醫(yī)學院任生理學教授兼科主任，再次創(chuàng)建生理科。吳襄申請為其助教。蔡翹同吳襄共同編著了《生理學實驗》一書。他在牙醫(yī)?？频谝话噙M行教學的同時，又立即籌建動物房及研究室，準備繼續(xù)利用慢性動物進行肝糖代謝的實驗。不料半年后，盧溝橋事變爆發(fā)，日本侵略軍的飛機對上海、南京進行頻繁的空襲。中央大學醫(yī)學院決定西遷成都。到成都后先借用教會辦的華西大學醫(yī)學院的部分校舍上課，4年后，又租用城內(nèi)一所中學校舍作為前期各科教學之用，在十分艱苦的條件下蔡翹堅持從事生理和藥科的教學和研究工作。

1938年秋，蔡翹在華西三大學（中央大學醫(yī)學院、齊魯大學醫(yī)學院、華西大學醫(yī)學院）發(fā)起成立和領導了中國生理學會成都分會，其中鄭集、童第周都是會員。1941年6月，他在華西大學醫(yī)學院創(chuàng)辦了《中國生理學會成都分會會志》，并任主編。這是太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)后，國內(nèi)惟一的一本生理學刊物，至抗戰(zhàn)勝利為止，4年共出兩卷13期300多頁。同年，他成立了生理學研究所，主要助手有朱壬葆、周金黃、吳襄、徐豐彥、李瑞軒，匡達人等。他招收了4名研究生（宋少章、程治平、陳定一、李昌甫），接受了十幾名進修生，其中有延安軍醫(yī)學校秘密送來的同志，也有方懷時（后曾任臺灣航空醫(yī)學會會長，1980年代后期在參加國際航天航空學術會議時，曾向第四軍醫(yī)大學及國防科工委航天航空醫(yī)學工程研究所出席會議的學者問候他的老師蔡翹）等人。他自籌經(jīng)費，親自動手，成立制造生理學實驗儀器的車間供教學和研究之用。1940年，他還曾送一套自制儀器給延安經(jīng)成都到香港采購藥品器材的朋友。1943年夏，蔡翹作為中美文化交流交換教授與費孝通等6人應邀赴美講學一年。在芝加哥講演時，他向世界介紹了中國抗日戰(zhàn)爭的情況，呼吁國際社會的援助，其講演稿與其他教授的講演稿一起被編成《來自中國的聲音》一書在美國出版。這一年中，蔡翹在哥倫比亞大學醫(yī)學院與美國學者合作繼續(xù)研究血清中的縮血管物質(zhì)問題，正是這一成果，后來導致國外5-羥色胺（即血清素）的發(fā)現(xiàn)。抗日戰(zhàn)爭期間，他主要從事有關血液生理的研究，也有不少重要的發(fā)現(xiàn)?？谷諔?zhàn)爭勝利后，中央大學醫(yī)學院復院南京，他再次領導生理科教學與研究的恢復工作，繼續(xù)從事小血管受傷止血的研究。1948年，他代理中央大學醫(yī)學院院長（當時校長為吳有訓）。同年被選為中央研究院院士，當時院士有81人，9月23～25日在南京北極閣召開第一次院士會議，到會48人。這批院士分布于不同的學科領域，體現(xiàn)20世紀前半葉中國科學的水平。1955年，原有院士中46人進入中國科學院學部委員行列。1990年3月與5月，臺灣中央研究院院長吳大猷曾先后兩次致函蔡翹，邀請他與其他仍健在的大陸原中央研究院首屆院士赴臺參加中央研究院19屆院士會議及參觀訪問。因種種原因，蔡翹雖未能成行，但4名首屆中央研究院院士（趙忠堯、湯佩松、黃汲清和馮德培）1993年9月成功赴臺訪問，實現(xiàn)了海峽兩岸科學家的首次交流。

中華人民共和國成立后，中央大學改稱南京大學（第一任校長為潘菽），蔡翹任醫(yī)學院院長。1952年，南京大學醫(yī)學院改編為第五軍醫(yī)大學，他任校長，并受國家衛(wèi)生部的委托在該校舉辦了生理學高級師資進修班。1954年，他調(diào)入軍事醫(yī)學科學院，任副院長、一級研究員和院學術委員會主任。1957年，軍事醫(yī)學科學院成立軍事勞動生理研究所，他兼任所長。1955年，他被選為中國科學院學部委員。1951～1968年，他主要從事并領導特殊環(huán)境生理學的研究，是中國軍事勞動生理學、航空航天醫(yī)學和航海醫(yī)學的創(chuàng)始人。蔡翹多次出國考察和參加國際學術會議，1956年7月出席了國際生理科學布魯塞爾會議；1956年9月～1957年2月，作為中國軍事醫(yī)學代表團副團長赴蘇聯(lián)考察半年，并赴捷克斯洛伐克、波蘭參觀和參加學術會議；1963年率團赴華沙參加國際空間科學會議；1964年率團赴愛爾蘭參加國際航空空間醫(yī)學會議，并順訪英國倫敦等地的實驗室。他對中國的科學事業(yè)極為關心，衷心擁護中共中央“百家爭鳴”的方針，對醫(yī)學、生物學界多次出現(xiàn)的違反“百家爭鳴”方針的傾向和做法，他總是挺身而出，堅持真理，提出自己的科學見解。1962年，他在周恩來總理、聶榮臻副總理領導的廣州會議上，就如何發(fā)展中國自然科學和對待知識分子問題發(fā)表了坦誠的意見，1963年8月又就如何貫徹“科學十四條”寫了“關于科研工作的建議信”，得到軍委副主席聶榮臻的充分肯定和高度評價。文化大革命期間他受到迫害，失去了工作條件，然而他堅持埋頭著書，并于1979年出版了60多萬字的《航空與空間醫(yī)學基礎》一書。1978年，在他的積極建議下，軍事醫(yī)學科學院成立了基礎醫(yī)學研究所，他親自指導該所神經(jīng)生物學室的研究工作并積極培養(yǎng)研究生。
蔡翹是中國生理學會1926年成立時最早的會員之一。他于1935～1937年任中國生理學會理事；1950～1955年繼任第11和12屆理事；1964～1981年任中國生理科學會（含生理、生物化學、藥物、病理生理、生物物理和營養(yǎng)6個學科）理事長；他團結(jié)6個學科的學術帶頭人，帶領會員共同前進。在1981年的第16屆代表會上他辭去理事長之職，被選為中國生理學會名譽理事長。1987年7月中華醫(yī)學會航空醫(yī)學學會成立時，他被推選為名譽主任委員。
蔡翹自1922年從事生理學工作至逝世，一生艱苦創(chuàng)業(yè)，在生理學領域進行了多方面的開創(chuàng)性工作。他涉獵廣泛，有過許多重要的發(fā)現(xiàn)和成就，先后發(fā)表過100多篇學術論文和11本專著和教科書。他提攜新秀，培養(yǎng)了幾代人才，為發(fā)展中國的生理學和醫(yī)學教育事業(yè)作出了卓越貢獻。
蔡翹因年高體衰，呼吸道感染，出現(xiàn)全身器官功能衰竭，于1990年7月29日逝世于北京。