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生物分子結構難理解?先動手成為摺紙戰士吧!

研之有物│中央研究院_96
・2018/06/14 ・3675字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 539 ・八年級
  • 執行編輯 │ 林婷嫻 美術編輯 │ 張語辰

生物分子(Biomolecule)是指存在於生物體內的分子,包含人體中的膽固醇、DNA、還有微生物和植物產生的天然物等等。生物分子大多為有機化合物,由碳、氫、氧、氮、硫等原子,依循大自然的規則組成精巧的結構,彷彿造物主的摺紙作品。現在,你也能透過手中的紙張,摺出存在於你體內的生物分子。

為了讓大人和小孩對生物分子自然產生興趣,而非痛苦地背教科書,中研院基因體研究中心的洪上程主任想到:「不如一起來玩摺紙吧!」 攝影/張語辰

運用摺紙理解「生物分子」

多數人聽到「摺紙」,會想到摺紙鶴、摺東南西北,就是小孩子的遊戲。但新式摺紙先驅 Robert Lang 於演講時曾分享:「摺紙的精髓, 在於摺的動作,在於成形的過程。」

摺紙只有一個簡單的方程式:想好要摺的結構 → 設計摺紙步驟 → 摺出成品。

摺紙的這種思考方法,和科學家合成生物分子的思考方法類似。先從大到小,運用 X 射線晶體學、核磁共振成像、低溫電子顯微鏡等設備與技術,窺見生物分子的結構樣貌,並將生物分子結構以反合成分析拆解成小單元;接著,基於有機化學、分子動力學等知識,逆推這些小單元如何組合成完整的生物分子,從小到大,設計出合成反應的步驟。

「不是硬記公式,否則到了實驗室不一定做得出來。」洪上程提醒:要從週期表出發,先了解碳、氫、氧、氮、硫等元素的特性,以及了解這些元素和元素鍵結會形成哪種官能基團,從這些關聯去推理合成反應。

如果這太抽象的話,摺紙可以幫助理解。洪上程拿出一些小紙片:「這些三角形、四角形、五邊形、六邊形,就像生物分子的最小建構單元,可以組合成很多摺紙造型,也能變化出很多生物分子結構。」

不同形狀的紙片,經過組合、黏接,可以創造出許多平面或立體的結構。依此原則,可以摺出許多生物分子結構。 摺紙示範/洪上程 圖說重製/張語辰

摺出你體內的小夥伴

1953 年華生(James Watson)和克里克(Francis Crick)根據弗蘭克林(Rosalind Franklin)的X光晶體實驗結果提出 DNA 雙股螺旋結構圖,華生和克里克並於 1962 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

1976 年理察 · 道金斯(Richard Dawkins)出版《自私的基因》一書,從演化論的角度說明 DNA 如何決定生物的行為。簡要地來說,我們的所作所為都是為了存活並繁衍基因組合,讓 DNA 可以不斷複製、永久傳承,成為「永恆的基因」。

默默操控我們所作所為的 DNA ,是由核苷酸組成的生物大分子,而核苷酸是由碳、氫、氧、氮、磷等原子鍵結組成。說了這麼多,DNA 雙股螺旋究竟長什麼模樣?不妨拿出一張紙,依下圖摺摺看:

  1. 先將長紙片對摺再對摺,摺成二、四、八、十六等分,如同紅線
  2. 摺出各長方形的對角線,如同藍線
  3. 依序摺藍線、紅線,會獲得一個壓扁的旋轉樓梯
  4. 拉開來,就是 DNA 雙股螺旋

除了 DNA ,還有另一種可以用摺紙呈現、跟我們緊密相關的生物分子:青黴素。

1928 年弗萊明(Alexander Fleming)在長滿細菌的培養皿中,意外觀察到角落長了一塊青黴菌、而且周圍都沒有細菌滋長。無心插柳,弗萊明想到這塊綠綠的可能與殺菌有關,並進行實驗證明青黴菌含有殺菌的成分,也就是青黴素。

青黴素的化學式為 C9H11N2O4S,是由碳、氫、氮、氧、硫鍵結組成的生物分子,也人類最早從大自然發現的抗生素,並作為藥品持續使用至今。久仰其名,本尊究竟長什麼模樣?如下圖,其核心結構由五環(五邊形的環)+四環(四邊形的環)組成,這也是青黴素具備殺菌活性的構效之一。

青黴素的核心結構,中央有一組五環+四環。如同摺紙示意。 摺紙示範/洪上程 圖說重製/林婷嫻、張語辰

但是,你有沒有想過──摺紙會不會摺反呢?如果大自然的創造部門,創造出像照鏡子般相反的生物分子,會有什麼問題?這可以用「膽固醇」的結構來舉例。

說到膽固醇,通常會自然聯想到心血管疾病。其實膽固醇不是只作惡,它在我們體內扮演重要角色,是細胞製造細胞膜的原料、也是合成重要荷爾蒙(例如性荷爾蒙)及膽汁的材料。

膽固醇的化學式為 C27H46O,是由碳、氫、氧鍵結而成的生物分子。其分子的核心結構,由三個六環(六邊形的環)+一個五環(五邊形的環)組成,如下圖:

膽固醇的核心結構,由三個六環+一個五環組成,如同左側的摺紙。右側是摺反的鏡像異構物。 摺紙示範/洪上程 圖說重製/林婷嫻、張語辰

但若膽固醇的結構摺反了,看起來就像是鏡子的反射,這樣就出現「鏡像」的問題。洪上程拿出兩枚摺紙作品對照,這種鏡像的產物,在有機化學領域稱為鏡像異構物(Enantiomer) 。

鏡像異構物就像人的左右手,請伸出你的左右手看看,兩隻手看起來很像,但上下交疊卻無法完全疊合。你的左右手不是同一隻手,鏡像異構物在結構上也不是同一種化合物,在生物體內發生的化學反應也往往不同。「鏡像」是大自然有趣的現象,然而在合成有機化合物時需特別注意,尤其是在合成藥物時,救人與害人只有一鏡之隔。

看了青黴素和膽固醇和兩種摺紙,你是否有觀察到:生物分子結構主要由五邊形、六邊形的環組成。這是為什麼?

生物分子中,為何五環和六環如此常見?

現實生活的演藝界, 5566 成員隨著生涯發展而解散。但在生物分子界,原子以五環和六環的結構在一起反而相當穩定。

洪上程說明:「六環各個角的角張力最穩定,其次是五環,因此最容易維持這種結構存在於大自然中。」某些有機分子結構為四角形或三角形,其 90 度角和 60 度角的角張力比較大、該鍵結處蘊含較多燃燒熱,組成這種角度的原子或分子彼此容易鬧不合,並發生化學反應斷開連結。

洪上程以人工合成的立方烷(Cubane)為例,如下圖呈現為正四方體,其化學式為 C8H8,是由碳和氫組成的有機化合物。立方烷這個漂亮的正四方體,曾被人們認為不可能合成出來,因為各個角都是 90 度,角張力相當大,頂點和頂點間的碳—碳鍵處於充滿能量,且容易釋放熱能並產生鍵結變動的狀態。

(1) 若 R = H,則為立方烷。立方烷由人工合成,呈現正四方體,如摺紙所示。八個頂點都是碳原子,並各自接了一個氫原子。
(2) 若 R = NO2,則為八硝基立方烷。同樣是正四方體,除了 90 度的角張力較大,八個頂點還各接上一個易爆的硝基官能團 (-NO2) ,因此爆炸能量非常強。
摺紙示範/洪上程 圖說重製/張語辰

然而, 1964 年芝加哥大學的 Dr. Philip Eaton 等人首先將立方烷合成出來,並運用其在燃燒時會釋放鍵結處所含熱能的特點,後與美國海軍研究實驗室(United States Naval Research Laboratory)合作,將立方烷改裝合成為性能強大的炸藥──八硝基立方烷(Octanitrocubane),化學式為 C8(NO2)8

其合成方式類似鋼蛋機器人的組裝強化,在立方烷四面體的八個頂點,把原本的氫原子拿掉,改成接上容易爆炸的硝基官能團(-NO2),就變成可以製造軍火炸藥的八硝基立方烷。

生物結構不是武功秘笈,別死背啦

如同上述的例子,若想合成大自然存在的生物分子、或是人工合成的有機化合物,要先做好小單元的片段,最後再組合成想要的完整分子結構。

然而,洪上程提到,學校很少教這些組合的過程,而是直接教你背最後的化學式、硬記化學結構。活像武俠小說中常有的情節:師傅丟一本武功祕笈給徒兒,言道「你不會就先背起來,長大就能體會其中的意義。」洪上程笑著問:「有機化學、生物分子,也要當作武功祕笈這樣背嗎?」

透過摺紙培養興趣、在手中賞玩生物分子結構,是洪上程在科普演講中讓大人和小孩放下武功祕笈所做的嘗試。在有機化學領域研究與教書多年,更與研究團隊攜手獲得國家新創獎;洪上程工作之餘的休閒活動,就是坐在家裡客廳思考如何設計摺紙。

此外,洪上程提到許多小孩曾經都很愛東看西看、東問西問,但若家長或老師回答不出來,往往就會從小孩的頭殼巴下去,並罵道:「囝仔人有耳無嘴」。這就像有人在舞台上唱歌,萬一台下聽眾隨口說聲「唱歌那麼難聽」,從此這名演唱者可能就不敢再拿起麥克風。

「現在小孩壓力很大,我在思考如何讓人覺得快樂,例如看看這些漂亮的摺紙作品,可能心情會蠻好的。」洪上程說完並問:你知道什麼是最長的英文單字嗎?

聽到這個問題,通常會在腦海搜索、振筆疾書,但英文單字寫再長也才一張 A4 頁面。「其實,最長的字是 smiles(笑容),兩個 s 中間有 1 英里長~」洪上程笑呵呵地公布答案,希望透過分享玩摺紙,讓人們多一秒快樂,少一秒憂愁。

延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為〈讓生物分子躍然紙上──專訪洪上程〉以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位





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研之有物│中央研究院_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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