希望之光

地球生命的能量來源是太陽光，但沒有任何生物可以依賴純粹的光能生存，它們需要一座橋樑先讓光能轉變成物質，物質再經代謝過程釋放出生物可以使用的能量形式，這一座橋樑就是藍綠菌、藻類與植物進行的光合作用。在這個迫切需要開發能源的時代，我們能從這些擁有數十億年擷取太陽能經驗的老師傅身上學到些什麼呢？

請先看這則報導：

「由交通大學應化系 刁維光 教授、中興大學化學系 葉鎮宇 教授與瑞士洛桑聯邦理工學院Grätzel教授共同組成的研究團隊，日前成功提高染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)的光電轉換效率，以紫質(porphyrin)分子取代釕金屬錯合物作為關鍵材料，突破釕金屬錯合物20年來光電轉換效率始終停滯在10-11%的困境，該研究成果已於今年11月4日 發表於《Science》，此為全球替代能源發展的重要里程碑。」

「刁維光表示，他們的研究捨棄高成本且有環境汙染問題的釕金屬錯合物，改以紫質分子作為光敏染料太陽能電池的主要材質。紫質是一種人工葉綠素，它在太陽能電池元件中所扮演的角色，類似於葉綠素分子在光合作用中所扮演的角色，可以有效吸收太陽輻射能中可見光及近紅外光部分，再將光能轉換為電能(也就是蓄積了高位能的電子群)。葉鎮宇則表示，他們在上百種化合物中發現利用鋅與這些分子合成出紫質染料當成人工葉綠素，可以克服過去材料分子堆疊不利功率轉換的缺點，光電轉換效率高達13.1％，為目前全世界最高。」

從上面的報導中大家應該可以讀出一個重點：有一些東西經過改良之後，可以更容易吸收光能，然後以提升電子位能的方式將最初的光能儲存起來；這很類似馬達將電能轉移到水塔中的水所蘊含的位能。這裡面涉及一個關鍵概念：光電效應。光電效應雖然是由德國物理學家赫茲發現的現象；指的是物質吸收光子並激發出自由電子的行為，但卻是由愛因斯坦做出了正確的解釋還因此拿到諾貝爾物理獎，愛因斯坦認為光必定是由與頻率密切相關的能量單位所組成，現在我們稱這種能量單位為光子或光量子。大家都知道，原子外圍帶負電荷的電子群，通常會緊緊被中心原子核的正電荷群(質子)牽引著很難逃脫束縛，但如果有適當的能量被特定的電子吸收，這個電子就得以脫離原子核的束縛成為自由電子直到被某種東西抓住，例如電池。

不幸的是(從能量需求的角度而言，若是生物絕對是感到慶幸)，要讓一般原子內的電子脫離原子核束縛的能量並不小，以光能來說就必須是能量較強的紫外線、X光等，問題是這些高能輻射早在進入地表前就被地磁或高層大氣給排除了，少有機會成為人們所需激發電子的能量來源。如果有種東西只要吸收可見光就能激發電子那該有多好？於是葉綠素(見下圖)登場了；每一年我都會跟學生講，好好研究葉綠素吧，如果你想拿諾貝爾獎的話。葉綠素就是能吸收能量較低的可見光，達成激發電子的目的，最終將光能以化學能(澱粉)的方式儲存起來。

 

我們能從葉綠素上學到哪些東西？為何葉綠素只吸收可見光就能激發出自由電子？是什麼原因降低了葉綠素分子內電子游離出去的能量？金屬鎂在這個激發電子的過程中是否扮演角色？要如何提升改造葉綠素的穩定度？葉綠體在傳遞與儲存光能的過程中能給我們在未來研發電池上什麼啟示？

下面圖解幾張相關內容。

 

葉綠素吸收可見光的波長範圍。
 

 

 

紫質，葉綠素吸收光能的主要結構

 

這就是論文中作者改良葉綠素之後的產物。中心原子由鎂變成鋅。

植物體醣類運輸路徑的最後一塊拼圖

植物體的組成細胞間與動物體存在一項明顯的差異：植物細胞間有原生質絲相互串聯，動物沒有。原生質絲是兩個植物細胞間由細胞膜圍成的一個通道，植物細胞間的物質傳輸可由這個捷徑通過，不像動物細胞必須穿過兩層細胞膜才能完成。對植物而言最普遍的物質運輸要算是光合作用的產物—醣類，它由葉肉細胞先合成葡萄糖，再轉換成蔗糖經原生質絲一路送往韌皮部，之後再依「供需理論」將蔗糖運輸到能量需求較高的部位，例如發芽、開花或結果處。

先前在〈植物澆葡萄糖水能活嗎？〉一文中提過，蔗糖可經由偕同運輸的方式跨過細胞膜送入細胞內(下圖右側)，這個過程需要消耗能量。問題是，如果蔗糖可以經由原生質絲不耗能又不需跨越細胞膜的方式簡便地運輸，那麼植物又為何要保留蔗糖偕同運輸這麼一個多餘的機制？此外，蔗糖偕同運輸是將蔗糖送入細胞內的機制，原本細胞外的蔗糖又是從何而來？過去科學家們是如下圖般猜測的，但他們沒有找到那個關鍵性的外送蛋白質(下圖問號？處)。最近這個假想中的蛋白質被美、中、德三國科學家組成的團隊找到了。( http://www.sciencemag.org/content/335/6065/207.abstract)       

 

他們確認在(部分)植物韌皮部的薄壁細胞內能表現有一群基因—SWEET，產生的蛋白質稱為SWEET可附著於細胞膜上，專職將細胞內的醣類(葡萄糖或是蔗糖)往外送。當SWEET蛋白將蔗糖送到細胞外(即細胞壁間隙)後，蔗糖偕同運輸機制便接手將這些蔗糖送入韌皮部的伴細胞，伴細胞再經原生質絲將蔗糖運送到韌皮部的篩管內。(如下圖)

 

這些科學家還發現，若SWEET基因發生突變，結果將阻斷蔗糖外流至韌皮部篩管的運輸路徑，而使葉子細胞內的糖分大增。從這個結果推測，經由SWEET蛋白控制的蔗糖流量大於原生質絲這條通道，顯然SWEET蛋白在蔗糖運輸過程中扮演了關鍵性角色。讓人訝異的是，當植物受到某些細菌或真菌病原體感染之後，會誘發感染區細胞SWEET基因的活化，從而提升對病原體的能量供應；有意思的是，演化的威力又在這裡出現了。某些水稻品系出現了對抗病原細菌分泌出來的誘發蛋白的突變，因而對病原體產生抗性，可以預見的是，這場演化大戰永遠不會停止。另外，SWEET蛋白的功能似乎不僅止於韌皮部的養分運輸，因為在植物的其他組織中也能發現SWEET蛋白的蹤跡，後續研究值得觀察。

包含SWEET蛋白、蔗糖偕同運輸蛋白等完整的植物醣類運輸路徑存在的可能意義是：儘快將光合作用的產物運輸到根莖部位利用與儲存，或是送往發育中的種子，畢竟，葉子是個存在高度風險的部位，養分在此實在不宜久留。對人類而言，可以藉由調控SWEET基因在不同植物部位的表現，創造出更高能量品質的種子，或是糖分更多的根莖作物，讓食物與生質燃料的產生更多樣化、更有效率，也有更高產量。



蕨類孢子囊的孢子彈射機制

先前紀錄過蕨葉下表皮孢子囊堆內單一孢子囊彈射孢子的過程(蕨類孢子囊的觀察)，當時就覺得這個彈射過程像極了古代投石器的投石過程；目的當然是為了將孢子彈離母株以避免生存競爭，所以並未細想其中有何可疑之處。不過根據最近一期《科學》雜誌的報導(http://www.sciencemag.org/content/335/6074/1322.abstract)，相較於人造投石器，蕨類孢子囊顯然少了某種構造 — 阻止投石器在旋轉過程中撞擊地面的橫木，若無此構造，石頭根本投不出去而會直接撞擊地面，那麼蕨類的孢子囊究竟是如何克服這項缺陷，成功地將孢子彈飛出去？

整個故事情節大約是這樣的：在一個乾燥的日子裡，孢子囊外圍的一圈環帶細胞們(如下圖)因蒸發而失去水分，就在水不斷向細胞壁退卻的時候產生了更多水的表面(就像氣孔發生蒸散時的狀態，下下圖)，於是在環帶細胞的細胞壁內累積了許多張力，這股力量迫使環帶發生變形，最終造成孢子囊在環帶對面產生一個開口，隨著張力的增加孢子囊便逐漸伸展開來。

由於輻射細胞壁厚，因此在張力的作用下較不會變形，反之橫向細胞壁較薄易受力擠壓而變形。細胞壁內水的張力便逐漸蓄積在這些受到擠壓的細胞壁內，一觸即發 ( cavitation-triggered catapult )。

       在水份張力累積到一個臨界值時，怪事發生了，有一半以上的環帶細胞內竟然產生氣泡！文章中用了一個詞彙來解釋：cavitation，「空蝕效應或空穴效應」，有興趣的人自己去查(大約是低壓狀態或是快速移動中的流體會在非常短暫的時間內產生與滅失氣泡的現象，此現象將會破壞鄰近物體的結構。也許這種破壞力能折損細胞壁內的纖維素才阻止了環帶得繼續回彈。問題是，可能嗎？纖維素有可能在以毫秒計的時間範圍內且數量並不多的氣泡攻擊下就被摧毀？作者應該加拍幾張環帶細胞壁的電子顯微鏡的相片，看看是否有纖維素斷裂的事實)。這些突然出現的氣泡瞬間讓環帶細胞壓力大增；加上剛剛因為張力而被壓縮的細胞壁的力量，一股腦地全釋放了開來，於是原本已經伸直了的孢子囊非常快速地回彈，孢子便彈飛了出去。

大家應該聽過潛水伕病吧，若潛水伕在上浮的過程中速度太快，也就是壓力下降太快，這會讓原本溶在血液中的氣體變成氣泡；還有大家可能也知道的是，颱風天或是在高山上煮開水，往往還不到一百度水就沸騰了，原因也是壓力下降造成的。當壓力下降時液體比較容易汽化。前述在環帶細胞內竟然會產生氣泡，應該是這樣造成的，因為細胞壁內水的張力呈現負壓狀態。

那麼孢子囊為何只回彈一部分而不是回復原樣？作者用了流體力學來補充說明：Darcy’s law、Maxwell model。由於環帶細胞壁是由許多長鏈狀纖維素交錯排列而成並在周圍佈滿水分(見上圖)，此結構呈現多孔且壁厚的特徵，這樣的特性可以有效地讓快速運動中的環帶減速，從而避免環帶反彈過度的結果，此一動態行為顯示環帶的物理性質類似黏彈流體(Viscoelastic fluid，黏性來自水分子與纖維素間的作用力，彈性則來自交錯的纖維素)。
 

生物學是建築在物理與化學之上的科學，要想完全理解生命的運作過程，物理與化學的基礎是必須的，從小小孢子囊的動作中竟牽涉如此複雜的力量互動 (水的內聚力與表面張力、細胞壁纖維素扭曲後蓄積的彈力、壓力與物質相變的關係，最終還牽扯到流體力學) 簡直令人嘆為觀止。
 

你想成為生物學家嗎？請學好物理與化學。 

普恩蛋白的另一面

在這世界上沒有絕對的是非善惡的存在

聽說又有一頭美國的牛隻被檢出帶有狂牛症的病原體。初次聽聞「狂牛症」一詞是在剛剛當老師時的1996年，這事發生在號稱民主先驅的英國，而英國政府居然企圖隱瞞疫情。沒隔多久就有科學家斷定此病的病原體並非我們所熟悉的微生物而是一種特殊的蛋白質，這個事實改寫了我們對病原體的認知範圍，因此這位科學家單獨獲頒1997諾貝爾生理醫學獎。

狂牛症的病原體稱為普恩蛋白(prion)；若在人體出現則會引發克洛茲菲德．雅各柏氏症(CJD)，此特殊病原體的恐怖之處在於普恩蛋白的超級穩定性。一般致病微生物沒有不怕熱的，但除非把整隻病牛給燒了，否則普恩蛋白並不會因熱而失去致病性。普恩蛋白還有一個令人頭痛的性質，它可以跨越不同物種。當初英國牛隻之所以出現病徵就是因為誤食了有搔癢症的病羊的屍體碎屑所致(據稱讓牛吃肉可以提升牛隻整體的經濟價值)，而人若誤食了病牛也會出現類似的病徵。因為普恩蛋白的這些特質讓狂牛症被某些歐洲媒體下了一個聳動的新聞標題：狂牛症 — 二十一世紀的黑死病。

然而這樣一個讓人聞之色變的蛋白質竟然也有它對生物體的良善面，你相信嗎？前期SCIENCE雜誌刊載(http://www.sciencemag.org/content/336/6079/355.abstract)了在酵母菌體內的普恩蛋白可以成為其對抗真菌劑的調控者，果真是世事無絕對。

普恩蛋白可以有兩種構型：溶解型與凝集型；在人體內凝集型普恩蛋白的累積就會造成CJD。這種環境變因誘發蛋白質構型的改變在細胞內是很常見的生理機制的調控者，例如植物的光敏素或是人體的血紅素，也因此科學家們早就懷疑普恩蛋白是否也存在著這樣的正面意義。科學家們發現，當酵母菌的生存壓力增加時(如遭遇抗真菌劑)會促進普恩蛋白的出現，從而改變體內固醇的代謝路徑，最終達成克服生存壓力的目的(如下圖)。

無普恩蛋白的酵母菌在培養皿中在以抗真菌劑處理(圖中白色濾紙)後出現澄清環代表酵母菌已遭消滅；有普恩蛋白的酵母菌則可對抗真菌劑而存活。

 

作者們相信這類在蛋白質層次上的應變機制可能廣泛分布在不同的細胞中以便應付多樣的環境壓力。因為，相較於對環境變化反應較慢的基因層次(environmental stress à DNA à RNA à protein à survival)，這種蛋白質層次的核外遺傳(epigenetic，environmental stress à protein à survival)顯然較能達成隨機應變的功效，而且還沒有產生有害基因突變的風險。

 

同源染色體聯會的秘密

減數分裂過程中最神秘的一個步驟是，同源染色體會在細胞中央(赤道板)彼此配對，形成四分體的現象(聯會，參閱生物的生殖作用 )，現在這個謎團被解開了(http://www.sciencemag.org/content/336/6082/732.abstract)。原來是在第一次減數分裂的前期階段，細胞會轉錄出許多不同的特殊RNA，這些DNA的副本並不用來指導細胞合成蛋白質，而是聚集在這些RNA訊息各自的DNA來源處，這樣的聚集結果大大地增強了同源染色體DNA彼此辨認的能力(見下圖)。最有趣的相關報導是，若科學家將一段RNA的來源DNA(sme2 gene)去除，那麼相關同源染色體的配對現象就會消失；又如果將這段DNA移位到其他染色體上，就會產生非同源染色體聯會的特殊現象。

減數分裂前期sme2 轉錄出許多meiosis-specific noncoding RNA與特定蛋白質聯結成同源染色體辨識複合體再與DNA結合。之後由染色體端粒當作兩條同源染色體對齊的標的，在同源染色體辨識複合體的協助之下兩條染色體便可完成彼此配對的程序。

先前在討論〈騾為何不孕？〉的時候就提過，要理解騾不孕的原因必須說明非同源染色體不能聯會的理由，現在我們終於明瞭了。不過還有一些問題並不清楚，例如，同一條染色體上不同的同源染色體辨識複合體內的RNA，都是由相同基因(或稱為DNA序列)轉錄出來的嗎？如果是，那麼兩條同源染色體配對的時候不就可能反轉或扭曲？所以比較可能的是，不論是同一對同源染色體上的同源染色體辨識複合體或是不同對染色體上的辨識複合體的RNA結構應該都是不同的，也就是說，除了sme2之外，還有其他基因在製造相同功能的RNA，這才能夠滿足多對同源染色體準確配對、分離的目的。若真是如此，我們就能越來越清楚為何在人類的基因組中居然有九成的DNA序列並沒有指導合成蛋白質的功能，因為這些過去稱為垃圾DNA的序列顯然存在許多細胞調控的機制。

還有一件從前不知道的事，那就是中心體的角色。從上面的圖解中可以看得出來，靠近細胞核外圍的中心體顯然有牽引同源染色體的作用；而且這股不知名的力量還能成功地跨越雙層膜的細胞核。中心體是由兩個相互垂直的中心粒(由微管蛋白構成)與外圍的絲狀蛋白質共組而成，在細胞分裂時會複製並且向細胞兩極移動，這個行為的目的從前以為是為了讓在細胞兩極的中心體在輻射出多條紡錘絲後，方便將同源染色體精準地導引至兩個子細胞內。不過，如果中心體真有這種牽引染色體的作用的話，那麼它的作用力必須很強才行，因為以人體細胞而言，細胞核內含有46條染色體，複製之後就是92條，每條染色體前後各有一個端粒，換言之，一個中心體必須先定位184個端粒，再由複製後的兩個中心體分別牽引92個端粒到赤道板附近，接著由中心體輻射出來的紡錘絲連接到中節兩側的著絲點，最後著絲點沿著(分解)紡錘絲逐漸將同源染色體帶到細胞兩極，以便完成第一次減數分裂。

RNA是同源染色體媒人的這項發現也許還能成為解釋染色體互換的部分原因。在同源染色體的DNA完成配對並且依一定規律纏繞成染色體後，或許這些辨識複合體並沒有馬上脫離DNA，這將導致同源染色體在形成四分體時，因為這些辨識複合體的牽引作用而彼此交疊在一起，隨著同源染色體的被迫分離，染色體在交疊處便發生斷裂，於是就產生了染色體互換的可能性。至於演化上的理解應該不用我再多費唇舌解釋，大家就能懂了吧。

令人驚奇的細胞核膜

地球上的生物有很長的一段時間是沒有細胞核的，沒有細胞核，遺傳物質 DNA就直接在細胞質裡下達指令，完成細胞所需執行的生命程序。這種體制的好處是訊息流程簡潔，而且處在環境還在激烈變化的初期地球，沒有細胞核保護的遺傳物質更容易發生突變，換言之有更多的機會能適應地球形成之初多變的生存壓力，也許就是因為這樣的緣故，使得生物必須經歷這樣長的時間(約二十多億年)才得以演化出細胞核。有些科學家認為細胞核是細胞膜內陷而成(如下圖，第三個細胞)，這樣才能解釋為何細胞核的核膜有兩層類似細胞膜的生物膜(有兩層磷雙脂)組成。

核膜出現之後，生物就由原核生物演化出真核生物，真核生物的遺傳物質就一直被安置在細胞核中，直到細胞分裂時才會短暫地離開細胞核。遺傳物質被鎖在細胞核中，那麼遺傳物質中儲存的訊息如何才能跨越雙層膜的細胞核？答案是細胞核膜上存在許多讓DNA訊息副本的mRNA通過的核孔(nuclear pore complexes，NPCs。如下圖，a為真實核孔的電子顯微鏡掃描圖；b則是模式圖)。這些核孔是由眾多不同形式的蛋白質穿越雙層膜聚集合成，其複雜程度簡直讓人無法想像。

mRNA在離開細胞核之前會和某些特定的蛋白質(如Exportin等)結合成mRNA蛋白複合體(mRNP)，之後在NPC與mRNP的交互作用與能量分子(GTP)的驅動下mRNA就能被送出細胞核。(下圖)

原本科學家們以為細胞核膜只存在前述這種自然的控制物質進出的機制(沒錯，細胞核也必須接收來自細胞質的訊息)，然而卻有一件事實困擾著科學家對這項認知的信心，那就是皰疹病毒會用另一種機制離開細胞核 — 出芽方式。先前在討論〈病毒的生存之道〉時就提過，病毒是絕對寄生的生物，它們的一切生存機制皆仰賴寄主細胞，換言之病毒必定要從寄主細胞既存的生理機制中得到病毒想要的結果。這個事實讓某些科學家相信，皰疹病毒的出芽行為絕非出自於病毒的遺傳訊息，而是細胞本身原有的能力，意思是，細胞一定有能力自己在細胞核內進行出芽行為來運出mRNA！在最近一期《Cell》雜誌上就有報導指出，果蠅肌肉細胞就存在細胞核為了傳送出大量相同型式的mRNA的出芽機制。(http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(12)00420-5，見下圖)

 

這項工作還引起了《Science》雜誌的注意，特別在自家雜誌中專文介紹這個發現。(http://www.sciencemag.org/content/336/6083/809.summary，見下圖)

圖左是典型mRNA的輸出模式；圖右是皰疹病毒以出芽方式離開細胞核的模式；圖中則是在果蠅肌肉細胞的細胞核膜上發現的mRNA傳輸過程。(顯然詳細的運輸機制尚未明朗，目前只知道在mRNP的產生過程中有其他細胞分泌出來的物質當作誘導因子；在果蠅的這項工作中指的是，突觸前神經細胞末梢所分泌出來並且經過化學修飾的蛋白質片段)

生物為了對環境壓力產生適當的反應，在不同層次上都有它們應變之道。此次發現細胞可以大量包裹的方式輸出mRNA，我想這也是眾多應變機制裡的一環吧。

 

希望之光 II

又有人在打葉綠素的念頭了(見希望之光)，不過這一次更厲害，科學家居然能把含有葉綠素的葉綠體類囊膜上整組光合作用的光系統(下圖紫色區域)全給分離出來，然後製成發電器！(http://www.nature.com/nature/journal/v485/n7398/full/485282e.html)

光合作用的第一階段稱為光反應，它發生在葉綠體的類囊膜上(參閱維管束鞘細胞)，主要的功能是捕捉光能，將之轉變成推動暗反應的化學能(ATP、NADPH)與產生提供動植物呼吸所需的氧氣。這當中用來捕捉光能的就是光系統，它又被分成兩類；可以獨立工作的光系統 I 和必須與光系統 I 合作的光系統 II 。這是為了配合下文所作的分類，其實這兩個光系統的分類依據是反應中心的葉綠素a吸收光譜的差異；光系統 II 的吸收波峰在680nm，光系統 I 則是700nm。容易令人混淆的是這兩的光系統在光反應過程當中的發生順序：先 II 再 I 。( I、II 的定義來自這兩個光系統的發現先後順序)

由於光系統 I 可以獨立進行捕捉光能的工作，因此成為科學家分離的標的。他們在分離出光系統 I 之後，將它們層層堆疊在導電介質上(下圖)；如同將眾多乾電池串聯起來一般，結果能產生非比尋常的超高電壓！

這項技術的驚人之處，不在於人類又能從大自然中榨取出更多的能源，而是大自然設計出來的蛋白質系統居然能承受超過十萬伏特/公分的電場。根據測量，每個植物綠色細胞的光系統 I 在光照下可產生大約一伏特的電壓，換言之，大自然的原始設計應該只需要能承受這樣的電壓即可，然而這些蛋白質系統表現出來的耐操程度卻遠超過這個預設值！我能想到的理由是：可能是考量到使用壽命與保險的緣故，光合作用是植物賴以為生的必要條件，任何生產線上的零件可不容許有絲毫的閃失，因此才演化出如此抗壓的光系統。報導中還指出這個純化來的光系統 I 所製成的晶體產生的電壓是目前已知所有晶體中最高的。這可真是了不起；不管是大自然還是探索大自然的科學家。

 

永生不死的細胞

「海拉」(Henrietta Lacks)，是個具有傳奇性的名字。這個女子死亡距今已經超過半個世紀，但是她的細胞至今仍廣泛分布在全世界的許多實驗室的培養基中。為什麼？因為「海拉」死於癌症，而癌細胞永生不死！

癌細胞的這項本事來自一種其他細胞遭到封印的能力：修補短缺的染色體端粒。染色體端粒是染色體末端的一段重複DNA序列，它可以說是染色體或是細胞內的定時炸彈，因為在每一次細胞分裂之前，DNA必須先複製一次，之後複製染色體再分別進入兩個子細胞，然而，DNA每複製一次，DNA本身就會短少一些序列(問題一：為什麼？)，科學家估計一般細胞最多大約只能複製50次，多於此數之後的複製，短少的DNA序列將會導致DNA本身遺傳訊息的嚴重短缺，最終造成細胞的死亡。癌細胞有能力恢復DNA複製過程中所遺失的DNA序列(問題二：怎麼辦到的?)，藉以重設細胞內的定時機制。

那麼為何DNA無法完成末端的複製？先前討論過DNA的複製過程(生命藍圖)，在此做一些必要的複習：一、DNA複製時採取半保留式複製，意即雙股DNA在複製時會暫時分開，而每條新合成的雙股DNA中有一半是舊的。二、由於複製DNA所需的酵素(DNA聚合酶)具有高度受質專一性，這導致雙股DNA中個別的單股DNA複製過程被分成順向合成股( 5’à3’)與逆向合成股( 微觀上看還是 5’à3’ 只不過對整條複製中的DNA來說它是逆向而行)，DNA複製之後會短缺的就是逆向合成股。原因圖解如下：

 

逆向合成股是以分段合成的方式完成的。每一小片段在合成前都需要一組暫時性的RNA引子(primer)，以滿足DNA聚合酶的受質需求；任務完成後這一小段RNA會被移除再由DNA補上，而DNA聚合酶會依5’à3’的方向在引子的3’ 端接上新的DNA序列。但是，當DNA複製到最末端時，暫時性的RNA引子被移除後，沒有遺留下任何可供DNA聚合酶接上新DNA序列的3’ 端，所以就會產生部分無法複製的DNA序列，隨著複製次數的增加，遺失的DNA就會越來越多，DNA就變得越來越短了。

第二個問題是，癌細胞短缺的端粒如何修補？癌細胞不僅在細胞週期的調控上發生突變，它同時還解除了對細胞無法修復端粒的封印，因為癌細胞激活了一種酵素的產生：端粒酶(參見下圖)。端粒酶是一種由RNA和蛋白質組成的複合體，有逆轉錄酶的活性(以RNA當模板合成DNA)。人類的端粒酶包含了RNA（hTR）、結合蛋白（hTP1）與活性催化單位（hTERT）。端粒酶以自身的RNA作為端粒複製的模版，合成出的DNA就添加到染色體的末端並與端粒蛋白質結合，從而穩定了染色體的結構。

由於人體內絕大多數的正常細胞並沒有端粒酶活性，因此端粒酶抑制劑一直被認為是協助控制癌症的選項之一。令人感到困惑的是，大約有15%的人類癌細胞測不到端粒酶的活性，這些癌細胞究竟是如何躲過染色體端粒不斷耗損的宿命並且獲得永生不死的能力？《SCIENCE》雜誌最近對此一現象做了一些綱要性回顧，並將這些非端粒酶造成的端粒延長機制稱之為「另類端粒延長機制」(Alternative Lengthening of Telomeres mechanism， ALT。如下圖)。

 

紅色區域是端粒。這些「另類端粒延長機制」使用的還是細胞內既存的DNA複製機制。

人類想要控制癌症，恐怕還要更多、更深入的研究才行。不過，我們換個角度想，如果大自然千方百計不讓我們活太久，而這樣致命的機制又如此多樣化的被大自然給保留下來，想必有它的道理，人類真的有必要為了延續個體的生命，逆天而行？

台灣基因研究 秀出傲世成就？

日前媒體報導了美國科學家在「創造生命」的研究領域上又跨出重要的一步。在台灣，由陽明大學與榮總合組的研究團隊(榮陽團隊)，則公佈了可能與肝癌有關之「人類第四號染色體」上的部分遺傳密碼。在政治異色新聞充斥的羅生門中，能夠看到一些有確切證據而具有推導性質的報導，可真是一件令人感到欣喜之事。不過筆者認為，媒體在報導榮陽團隊的成果時，有下列不妥與美中不足之處。

首先是有誇大報導之嫌。平面媒體上斗大的標題寫著：「台灣基因研究 秀出傲世成就」。以學術界的習慣來說，若是真有「世界第一」或值得「昭告天下」的研究成果，科學家們第一個想到的，恐怕是將成果發表在《科學》或《自然》等學術期刊上，怎會只是開個記者會來昭告天下？另外，此次成果發表會展示的是「人類第四號染色體上DNA之百萬含氮鹼基的序列」。有過「DNA定序」工作經驗的人應該知道，這個過程的確是繁雜的，但若說是需要特殊的「研究能力」才能完成，只怕是言過其實。因此，榮陽團隊的確為台灣在解讀「人類基因組」的工作上做出貢獻，但用「留下了傲人的痕跡」來形容實在是溢美之詞。

其次是發表的內容有些地方令人不解。榮陽團隊指出：「台灣地區的定序錯誤容許率控制在千分之一以下，較人類基因組初稿百分之一的精確度更高」。我們知道，人類染色體中有許多DNA的片段不能表現功能，也就是這段DNA無法指導細胞合成月生 月太  或調節其他基因的表現。如果在DNA定序工作前，不知道哪一段是基因，哪裡是沒有功能的DNA片段，需要投注千分之一的錯誤容許率在那些沒有功能的DNA片段上嗎？「人類基因組」的定序是一件與時間賽跑的工作，高精確度代表的是費時、耗力。這樣的人、物力的投資值得嗎？又如果DNA定序的目標已知是基因，根據筆者對基因表現的了解，即使只有一個含氮鹼基的解讀錯誤，都可能讓基因失去功能，在此情形下，千分之一的錯誤容許率是否又低了些？另外，榮陽團隊之所以選擇第四號染色體，是因為許多肝癌患者的第四號染色體有「染色體缺失」的突變現象，因此團隊懷疑，這個個缺失的部分是抑制癌症的基因所在，同時期望未來能以此資料作為防治肝癌的基礎之一。令筆者納悶的是，是什麼原因特別容易引起第四號染色體發生突變？若是理化因子，不應該出現這種專一性，而是不同染色體的普遍性突變。若是生物因子，是病毒或是其他？如果這個問題不先釐清，即便結果真如團隊的預期，這個抑癌基因，不是隨時都可能再度遭受那個未知的致癌因子的傷害嗎？如何能藉此預防肝癌？

身為教育工作者，非常企盼本土科學家們能夠有好的成果發表，也好在課堂上當教材與同學們討論，同時讓同學以這些科學家求真求實的精神為榜樣。如果有朝一日，榮陽團隊真的如願在第四號染色體上發現抑癌基因，並能詳究基因及其產物的作用機制，進而對肝癌提出防治建議，屆時才真是眾所矚目並足以昭告天下！

生物複製技術—人類的生存之道或物化之始

隨著生物複製技術的日漸成熟，每隔一段時間便會有不同種類的動物以不同的方式複製成功。最近與此相關的動物，是隻與人類同屬靈長目的猴子。因為在演化的親緣關係上越來越接近人類，於是總有人會提出警告（原本以為大眾會在科學家的解釋下，減少對生物複製技術的疑慮，如今看來，科學家們還得更努力些才行），利用生物複製技術結合其他生物科技可能會製造出像希特勒之流的複製人來。筆者認為，這是多慮的。以目前我們對人類發生的了解，人是社會文化薰陶下的產物，而非一出生本質即確定的生物，這是人類與其他生物一個很大的差別。因此，除非我們的社會環境病態到容許希特勒的存在，否則，即使有相同的基因組合也造就不出這種人類歷史中的邪惡之人。即便真要找出反對複製人的理由，筆者認為應該從被複製者的角度去思考。不論被複製出來的是希特勒或愛因斯坦，他們的出現，必定要承擔一些非因他們自身的作為而來的壓力，在人權的確保已是普世的價值時，複製人當然不應該被允許。

那麼科學家是基於什麼理由想要發展複製技術呢？自從生命在大約三十八億年前的地球上誕生以來，它們就不斷的接受來自外界(物質環境或其他生物）的挑戰，只是在長時間的演化結果下，包括人在內的生命體系早已適應了這個環境。生物複製技術可算是科學家們為人類最新發展出來的一套生存之道。

在文明發展中所形成之日益複雜的環境，非病原性的傷害導致器官受損而不能正常工作的病歷時有所聞，器官移植的生物科技便在這種背景下逐漸成形。一九九七年在英國出現的複製羊桃莉，就是這個發展過程中的一個里程碑（然而,據英國BBC電台的報導，當時主其事的科學家，其原意只是為了確保優質羊乳的來源罷了），科學家不過是有鑑於器官移植後會產生嚴重的排斥現象，想為接受器官移植的病患找個有效率的解決方案而已。如果大家曾留意生物科技發展的話，在複製羊之後，科學家隨即發展出培育無頭青蛙的技術，甚至利用基因轉植技術成功的在老鼠身上培育出他種動物的耳朵來。凡此種種，都可能是為了未來的器官農場而做的準備工作。當然這些無性生殖技術與生物科技的開發過程中，是否會產生其他未被科學家們想到的負面效應，從而威脅到人類的生存，我們不得而知，但科學家們以解決問題為進步表徵的本質是不會改變的。

或許是人們已經受夠了科學發展所帶來的負面影響。看看地球的臭氧層受到氟氯碳化合物破壞而變稀後皮膚癌上升的趨勢、工業化社會二氧化碳濃度上升引發溫室效應而導致全球氣候的改變以及早期DDT等長效性農藥對生態環境的破壞，人們是有充分的理由擔心科學的發展會將人類帶往何處並且向科學家們提出質疑。但是人類具有可貴的記憶與思考等反省的特質，這使我們能夠知道，科學發展的歷程中發生哪些錯誤並且將設法避免或加以改善。我們應該抱持的心態是，這些錯誤的經驗不是用來阻止人類繼續進步的，而是用來提醒我們應該更為謹慎的發展文明，當然也包括科學，畢竟沒有人可以否認，今日便利的生活與優異的醫療技術甚至是未來的糧食與醫藥問題的解決，無一不是出自科學成果之賜。

誰該評論生物科技的人文省思？

在《科學之終結》一書中提到，科技可能因為社會、經濟與科學本身的限制而無法有無止境的進步[註一]。換言之，科學的發展有大部分是需要社會大眾的支持才得以維持，而媒體在這個過程中扮演著一定程度的影響力。不過，就如同芮斯（Martin Ress）在《第三種文化》中所說的：「多數媒體編輯主管受的教育以文科為主，他們的背景與興趣，現在已經越來越不能代表一般的聰明讀者‧‧‧因為我們的教育系統分工得很細，許多上大學的人，在十五歲以後就完全沒有接觸任何科學科目」[註二]。這種情形很類似台灣，我們可以從媒體對科技新聞報導的廣度、深度甚至是正確程度中得到印證。日前在平面媒體上有一篇評論生物科技發展的社論[註三]，文中對「若干」分子生物學家提出許多批判，如：研究態度不夠成熟、欠缺積極自我反省、對生命價值的冷漠與心目中價值判斷的狹隘，結語則是「對科技研發的目的茫然不知所以，這樣的科技發展其實是短視而危險的」。在分子生物學的應用，已對人類作出許多貢獻之後，我實在無法理解這個生物學重要分支的建構者，為什麼會遭受如此嚴厲的批評。這篇評論的動機來自中研院的一次演講會內容[註四]，演講後，李遠哲院長以「很可怕」來形容近年來分子生物學的發展，我就從這裡談起吧。

一、分子生物學的發展「很可怕」嗎？

分子生物學對於許多攸關民生的領域，像是糧食的改良、作物病蟲害的防治、醫療技術與藥劑的研發等，具有強大的滲透力以及其發展之迅速，的確令人感到敬畏。但若以偏概全的認為利用分子生物學的技術，可能用在製造複製人或培育「無頭人」上以滿足器官移植的需求，而認定這門學問的發展很可怕，實在有欠公允。

二、「無頭之人不算人」是一種「規避實質倫理概念的文字遊戲」嗎？

假如未來真能培育出「無頭人」；其實應該稱為「無大腦的有機體」比較貼切，聽起也比較不那麼聳動。人類的學名是Homo sapiens意思在表示擅思考、有智慧是人的主要特質，這個屬性的物質基礎是高度特化之神經組織的形成；更精確的講就是大腦的發生。因此，當某個有機體，在發育過程中沒有了與此相關或涉及生物種(species)的定義之基因組的表現時，他究竟屬於何種生物就是個可以討論的議題。所以「無頭之人不算人」的說法是有其基礎的，並非社論中所說，一開始就打算以浮面文字遊戲規避實質倫理概念。

三、   誰把「倫理法律規範的責任推給人文社會學者」？

社論中還提到，若干生物學家希望人文社會學者的研究能與生物科技的發展平行並進，以制定出符合當代倫理法律的規範。我在想，在這個規範的制定過程中，人文學者會不與相關的科學家共同研商嗎？而科學家在希望人文學者訂出約束自身研究領域的規範時，難道會置身事外而不參與意見的討論嗎？如果溝通的結果，人文學者仍然無法「掌握科技發展的情境」，因而不能制定出適當的倫理法律規範，難道是分子生物學家的責任？人文學者容許科學家們球員兼裁判自己訂定相關規範嗎？我相信分子生物學家們，從頭到尾就沒有意思要把「倫理法律規範的責任」推給任何人，而是希望能有更多不同領域的學者來關心這個足以影響所有人類未來的新興科學。越多人討論分子生物學的內容與人文社會的關係，就越能促進它被了解的程度或解決彼此間的衝突，也就可以得到更多社會大眾的支持，分子生物學家們何樂而不為。

四、科學家在操弄基因時「鮮少認真思考操作生命的真實目的」？

曾經有位老師告訴我們：做研究工作就好像玩拼圖遊戲。分子生物學家選取的每一個基因就好比是一塊小拼圖，當他在研究這個小拼圖的特徵時，他必須利用視野較小的顯微鏡仔細觀察與推敲，此時他是難以理解小拼圖在整個圖像上的意義的，因為生命之圖必然大到得用視野較廣的望遠鏡才能將它盡收眼底的。以大腸桿菌為例，它至少有五千個以上的基因，其中與有氧呼吸相關的就有數十個，若分子生物學家只知道某一個基因的產物可接受電子，並將電子傳給氧分子，他是不可能知道這個基因產物在有氧呼吸過程中的意義，更別提它對大腸桿菌生存的意義了。如果有人去問分子生物學家：你研究的這個（些）基因對生命意義的了解有何幫助？你得到的回應可能是一陣尷尬的沈默。因為這個問題太大，沒有任何一個「研究生命」的科學家可以回答它。但這絕不代表他們「鮮少認真思考操作生命的真實目的」。生物學家對生命的意義或操作生命的目的自有其定見，而且是務實的。我想他們對「操作生命的真實目的」便是解決人類在農業與醫學上的問題。至於這個過程中是否有「工具理性的偏執」，不曉得英特爾(Intel)總裁葛洛夫(Andrew S. Grove)會怎麼說？[註五]

科學的發展過程，科學家當然必須接受各方質疑或規範，但前提必須是對科學的運作過程與內涵有充分的了解。就如同社論中陳述的「真正最能掌握科技發展情境的，其實是生物科技研究者自己」，那麼有關生物科技的省思，請一位主其事的學者撰寫，可能會比較貼近真正分子生物學家的想法與清楚說明生物科技對人文社會產生哪些衝擊，否則，若因對科學產生誤解，而阻礙了科學的進展，實非社會大眾之福。

註釋

1.《科學之終結》John Horgan著，蘇采禾 譯，時報文化出版，p36，1997

2.《第三種文化》John Brockman著，唐勤、梁錦鋆 譯，天下文化出版，p19，1998

3.中國時報二月十四日社論標題為：基因科技的人文省思

4.演講會於二月十一日舉行，由中央研究院分子生物學研究所所長沈哲鯤主講，講題為：基因與基因體的研究 — 二十一世紀生化學家的兒童樂園

5.英特爾總裁葛洛夫有句名言：唯偏執狂得以倖存