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生物代代相傳的基因到底是什麼?遺傳黑盒子如何被破解?──《基因:人類最親密的歷史》

編按:泛科學八月選書《基因:人類最親密的歷史》,從家庭病史出發,作者穆克吉細數百年間數以百計的科學家如何前仆後繼,破譯遺傳基因這項生命之謎;從近兩百年前在修道院裡發覺遺傳學邏輯,一路到接近基因治療的今日;既介紹遺傳基因的核心概念,亦一窺漫漫科學長河如何前進與掙扎。

若你偏愛遺世獨立的「學術生活」,絕不要選生物學。這個領域是給想要更接近生命的男女。
──赫曼.穆勒

我們的確否認遺傳學者能在顯微鏡下看到基因,遺傳的基礎不在某種特定、自我繁殖的物質上。
──特羅菲.李森科(Trofim Lysenko)

被關在細胞黑盒子裡的基因到底是什麼?

圖/wikipedia

遺傳學和演化的統合稱為「現代演化綜論」(Modern Synthesis),或冠冕堂皇的「大綜合」(the Grand Synthesis)。但即使遺傳學者歌誦遺傳、演化和天擇的諧合,(編按:在摩根那個年代)基因的物質特性依舊是未解之謎。基因一直被形容為「遺傳的粒子」,但究竟那種「粒子」在物理化學上是什麼特性,仍無頭緒。摩根把基因想像成「鏈子上的珠子」,但就連他,也不明白這種形容在物質特性的意義。「珠子」是什麼做的?「鏈子」又是什麼?

基因材料的成分難以辨識,部分原因在於生物學家從未截獲基因的化學形式。在整個生物世界,基因往往是垂直行進,亦即由親至子或由母細胞至子細胞。突變的垂直傳送讓孟德爾和摩根得以藉由分析遺傳的模式,研究基因的行動(比如由親代果蠅傳到後代果蠅的白眼特性),但研究垂直變換的問題在於,基因永遠沒有離開活生物或細胞。細胞分裂時,遺傳物質在其內分裂,分割給子細胞。此過程的基因雖然在生物學上可見,但在化學方面,卻有如關在細胞的黑盒子裡,無法探測。

「轉化」水平基因交換一窺基因面貌

不過,在很罕見的情況下,遺傳物質可以由一個生物橫渡到另一個生物──不是親子之間,而是在兩個互不相關的陌生基因上。這種水平的基因交換稱做「轉化」(transformation),就連這個詞也表現出我們的驚訝。

嗯,十年樹木,百年樹人(誤)。圖/wikipedia

我們人類習慣只透過繁殖傳送遺傳資料,可是在轉化時,一個生物似乎會變形為另一個,就像希臘神話中達芙妮(Daphne)長出了樹枝(或者,基因把一個生物的特性轉變為另一個生物的特性;在這個幻想故事的基因版本中,長出樹枝的基因必然進入達芙妮的基因組,獲得由人類皮膚冒出樹皮、木頭、木質部和韌皮部的能力)。

轉化幾乎從來沒有發生在哺乳類動物身上,但存活在生物界定義的模糊邊緣的細菌卻可以水平交換基因(這件事的奇特在於,不妨想像兩個朋友,一個藍眼睛,另一個棕眼睛,兩人傍晚一起出外散步,因為不經意地交換了基因,回家時眼睛的顏色因此有了變化)。基因交換的時刻分外奇特而美妙,它在兩個生物之間轉移,因此暫時成為純化學物質。再也沒有比這個時刻更適合基因化學家了解基因的化學本質了。

轉化由英國的細菌學家弗雷德里克.格里菲斯(Frederick Griffith)發現。一九二○年代初,身為英國衛生部官員的格里菲斯開始研究一種稱為「肺炎鏈球菌」Streptococcus pneumoniae pneumococcus的細菌。

肺炎鏈球菌「死神隊長」來也。圖/wikipedia

一九一八年西班牙流感肆虐歐陸,造成全球兩千萬人死亡,也成為史上最致命的天災之一。這種流感病人往往會因感染肺炎鏈球菌,進而快速發展成致命的疾病,醫師稱之為「死神隊長」。感染流感後的肺炎鏈球菌(流行病中的流行病)受到莫大的關注,衛生部請了科學家團隊研究這種細菌,並開發疫苗。

格里菲斯研究這個問題的方法是把重心放在細菌身上:

什麼肺炎鏈球菌對動物如此致命?

他探究其他學者在德國所得出的結果,發現這種細菌有兩種菌株:

  • 「平滑型」的菌株在細胞表皮有一層光滑的含糖莢膜,靈巧如蠑螈,可以逃過免疫系統
  • 「粗糙型」菌株則沒有這一層含糖莢膜,較容易受到免疫系統攻擊。

因此,注射平滑菌株的小鼠很快就死於肺炎,而注射粗糙型菌株的小鼠則產生免疫反應而存活。格里菲斯的實驗在不經意之間推動了分子生物學的革命。首先,他用高溫殺死這種劇毒平滑細菌,然後把死菌注射至小鼠體內。一如預期,細菌殘留物對小鼠毫無影響:因為細菌已死,無法造成感染。但是,當他把已死毒菌株的殘留物和無毒菌株的活菌混合再注入小鼠體內後,小鼠卻很快就死亡。格里菲斯解剖小鼠,發現粗糙型的菌株產生了變化:

它們只是接觸死菌,就得到了平滑的莢膜,而莢膜正是產生毒性的因素。原本無害的細菌就這麼「轉化」為有毒。

高溫殺死的菌株殘骸(頂多就像微溫的微生物化學物質),怎麼會光憑接觸,就把某種遺傳特性傳遞到活細菌上?格里菲斯不太確定。起先他猜想會不會是活菌吸收了死菌,因此改變了莢膜,有點像巫毒教的儀式,吃下勇者的心臟就可把勇氣或活力轉移給另一個人。一旦轉化,細菌就會維持新莢膜達數個世代──遠在所有的死菌食物來源都耗竭之後。

因此,最簡單的解釋,就是遺傳信息以化學形式在兩種菌株之間傳遞。「轉化」時,控制毒性(產生平滑和粗糙表面的基因)就以某種方式滑出細菌,落入化學湯裡,接著又由湯中進入活菌,納入活菌的基因組中。換言之,基因可以在兩個生物之間傳遞,毋須任何形式的複製。它們是獨立的單元、攜帶信息的材料單元。信息並非透過像空氣一樣捉摸不定的泛生子或芽球低語傳達,遺傳信息是透過分子傳遞,這個分子可以化學形式存在細胞外,而且從一個細胞帶到另一個細胞,由一個生物到另一個生物,由親代至子代。

保守羞怯科學家的重大發現

格里菲斯是個保守且極其羞怯的科學家。圖/wikipedia

要是格里菲斯發表這驚人的結果,必然會讓整個生物學界興奮不已。一九二○年代,科學家正開始要以化學觀點了解生物系統。生物學變成了化學。生化學者主張,細胞是化學物質的燒杯,是一袋包覆在一片薄膜裡的混合物,互相作用,產生稱作「生命」的現象。格里菲斯辨識出可以在生物之間攜帶遺傳指令的化學物質──「基因分子」,此事必然會引發上千揣測,並重建生命的化學理論。

但格里菲斯是個保守且極其羞怯的科學家,「這個說起話來總是輕聲細語的矮小的男人」根本不可能會宣傳他的研究結果有什麼意義。蕭伯納曾說,「英國人做什麼都憑原則」,格里菲斯的原則就是韜光養晦。他獨居在倫敦的實驗室附近一間不起眼的公寓,也在南部海邊城市布萊頓(Brighton)打造了一間現代主義風格、造型簡約的白色小屋。基因都能在生物之間移動了,反倒是再怎麼強迫格里菲斯,他也不肯走出實驗室演講。為了要騙他出來做科學演講,友人還須把他塞進計程車,並只付單程車資。

猶豫了數個月(「上帝都不急,我急什麼?」)之後,格里菲斯終於在一九二八年一月,把他的資料在《衛生期刊》(Journal of Hygiene)發表,這本科學期刊沒沒無聞的程度,恐怕連孟德爾都會大吃一驚。格里菲斯以低聲下氣的抱歉語氣寫這篇論文,彷彿因為震撼了遺傳學根本而真心抱歉。他的研究把基因轉化當成微生物學的奇事,卻並未明白提到他可能發現了遺傳的化學基礎。二十世紀最重要生化論文的最重要結論就像禮貌的咳嗽,埋在稠密的文字之下。

 

本文摘選自八月選書《基因:人類最親密的歷史

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