・What are common among all organisms? ——生物學的基石
地球上的生物億萬種,在這些不同生命形態的背後,究竟具有哪些共同特質呢?我們都是由「細胞」構成的。那細胞是由哪些成分組合而成的呢?從細胞分子生物學(molecular biology of the cell)的單細胞成分圖來看,一個細胞中有 70% 是水(H₂O),另外 30% 是其他的化學物質。而在這些化學物質當中,除了攜帶遺傳物質的 DNA 和 RNA 外,還有如蛋白質、多醣等巨大分子(macromolecule)。巨大分子又是什麼呢?顧名思義,巨大分子就是一個非常大的分子,以數千以上的共價鍵結原子組成。舉例來說,多醣(polysaccharide)是由單醣(sugar)組合而成的;許多胺基酸(amino acid)聚集形成蛋白質;核苷酸(nucleotide)構成核酸(nucleic acid)。再再往前細化,分子是以一個或多個肉眼不可見的原子組成⋯⋯因此回歸到最初的提問——原子構成分子,分子構成胞器,胞器構成細胞,細胞構成組織,組織構成器官與器官系統,器官與器官系統構成生物,生物形成族群⋯⋯最後這一切組成我們的地球生物圈。
生物圈的組成(圖片來源:羅教授的簡報)
細胞學說
而上述的一切都是人類在生物學領域探索後得出的結果,因此要談其發展脈絡,我們不得不從 1665 年開始說起。1665 年,虎克(Robert Hooke)使用顯微鏡觀察軟木薄片時看到薄片上有一格格的結構,從而提出細胞(cell)一詞,但未再深入研究。接著又過了快要兩百年,德國的植物學家許萊登(Matthias Jakob Schleiden)和動物學家許旺(Theodor Schwann)分別在 1838 年和 1839 年提出了細胞學說——細胞是生命的最基本單位——為生物學奠下第一塊基石。
演化論與遺傳學
1858年,德國的科學家魏修(Rudolf Ludwig Karl Virchow)發表了他為人所知的理論:「細胞來自細胞。」(“Omnis cellula e cellula.”),我們都知道物質不會憑空出現,因此一個細胞的誕生必有其源頭。1859 年,英國生物學家達爾文(Charles Robert Darwin)在《物種起源》一書中提出演化論,並且指出——所有物種都是從少數共同祖先演化而來的,親代產生的子代有其差異性,從而繁衍出如今多樣的物種。
後來奧地利的科學家孟德爾(Gregor Johann Mendel)在 1866 年出版了他多年豌豆實驗的研究論文,說明某種看不見的因素(也就是基因 )可預測並確定生物體的性狀。但可惜的是雖然孟德爾和達爾文是同代人,卻因國籍與語言的隔閡未曾有過學術上交流,孟德爾的實驗發表後未在當代得到重視,直到 1900 年,孟德爾定律才由3位後來的科學家通過各自的工作分別予以證實,成為近代遺傳學的基礎。
分子生物學
時間再次往前快進 100 年,英國科學家克力克(Francis Harry Compton Crick)和他的同僚美國科學家華生(James Dewey Watson)於 1953 年共同發現了去氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構,並在 1958 年提出分子生物學的中心守則(central dogma):「DNA 製造 RNA,RNA 製造蛋白質,蛋白質反過來協助前兩項流程,並協助 DNA 自我複製。」是現代生物學研究的重要里程碑。
・The origin of life on the earth. ——地球生命的起源
生命起源的緣由眾說紛紜,最常見的說法有創造論(神造萬物)和較具有科學根據的演化論,而演化論又分稱兩種流派:一說生物起源自地球,另則認為是起源自外太空的物質。前面已經說過「細胞來自細胞。」同理生命也會有其根本可以追尋,因此我們可以從研究單細胞生物(原始的生命形態)的生物特質來觀察物種的演進。舉草履蟲為例,草履蟲的全身佈滿纖毛,牠主要就靠這些纖毛來移動身體,而我們人體中也有纖毛的存在,像是氣管壁上的上皮細胞就具有纖毛,能排除肺部塵埃。由此可以見得,物種隨著演化會留下有用的功能。
Experimental models
從上述草履蟲的實例,可知各種生物對研究生命起源的意義,因此接下來我將以生物構造的簡到繁,依序介紹一些實驗室常見的研究物種。
・大腸菌(Escherchia coli):因其分裂快、構造單純沒有核的性質,是現代生物學中研 究最多的一種細菌。
・酵母菌(Saccharomyces cerevisiae):是行出芽生殖的單細胞生物,因其子代和母代性狀完全相同的特質,可以研究人類老化、細胞週期等問題。
・黏菌(Dictyostelium discoideum):許多單細胞會共同合作行吞噬作用,也會聚集形成子實體(Sporocarp),有性繁衍釋放孢子。
・果蠅(Drosophila melanogaster):容易在實驗室飼養,只有八對染色體、迅速繁殖的特質適合研究遺傳學。
・蛙(Xenopus laevis):胚胎體積大、好觀察,對發展生物學的研究舉足輕重。
・斑馬魚(Danio rerio):所產出的卵為透明,常用於觀察生命。
・阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana):是第一個基因組被完整測序的植物,常用於植物學的研究。
・小鼠(Mus musculus):和人體構造較為相似,是許多應用在人體上產品的「實驗白老鼠」。
秀麗線蟲(Caenorhabditis elegans)
在這些 experimental models 中,線蟲是較為特殊個例。線蟲沒有腦,但有 nerve ring(初級的腦);會自體繁殖,每個細胞都有其源頭可以回推,另外也有同性戀行為等各種特質。根據 Sydney Brenner 的研究,他發現運用線蟲在研究中,可以推演出生命(人類)起源的奧祕,他因此獲得 2002 年的諾貝爾生理學或醫學獎。
生物圖示與學名(圖片來源:羅教授的簡報)
・新冠病毒
最後是近年造成全球恐慌的 COVID-19。冠狀病毒具體可被分為兩類——第一類冠狀病毒症狀較輕,基本上每人都感染過;第二類傳染力較弱,但重症率極高,例如 SARS 和現正流行的新冠肺炎。關於新冠肺炎,雖然我們總是稱呼它為 COVID-19,但這個只是 corona virus disease 2019 的縮寫,是「疾病」的名字,並非正式學名(新冠病毒的學名應為 novel corona virus, nCoV)。此外,雖然 COVID-19 的疫情看起來「很恐怖」,但這在歷史疫情排行還只不過是第九,著實令我驚訝(前三名分別是:黑死病、天花和西班牙流感)。
那我們該如何防止病毒入侵呢?舉例來說,像是:保持社交距離、勤洗手、戴口罩和注射疫苗(主動免疫,經注射疫苗來刺激細胞免疫、體液免疫或兩者兼具的方式使人體產生免疫力。)等皆是非常有效的辦法。雖然這些預防措施都是老生常談了,但在日常生活中確實實踐,才能將染疫風險降到最低。