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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》

時報出版_96
・2018/08/10 ・3215字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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。

 

本文摘選自泛科學八月選書《基因:人類最親密的歷史》,時報出版。


 

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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從族群耆老的死亡,看見黑猩猩的「同理心」——《我們與動物的距離》

馬可孛羅_96
・2022/01/16 ・2063字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者:法蘭斯・德瓦爾(Frans De Waal)
  • 譯者:陳信宏

人類為何會發展出宗教,其中一個最常被提及的原因便是我們對死亡的體認。我們對生命有限的理解,經常和「人類有沒有可能是唯一擁有宗教的生物」這個問題一起提出。我對這個問題沒有明確的答案,只能說我們沒有理由假設別的靈長類動物對其他個體的死亡一無所知。

如同巴諾布猿天堂裡的巴諾布猿,其他猿類也相當熟悉死亡與失去親友的現象。有時候牠們自己就是凶手,例如有一天那群巴諾布猿打死了一條劇毒的加彭膨蝰。那條蛇令牠們深感恐懼,只要一動就嚇得所有巴諾布猿往後跳開。牠們用樹枝小心戳牠,最後瑪雅才把牠高高拋起並且重重甩在地上。值得注意的是,那條蛇死了之後,牠們的表現就完全顯示牠們並不認為牠會再起死回生。死了就是死了。幼猿開開心心地拖著沒有性命的蛇屍當成玩具,掛在脖子上,甚至撬開牠的嘴巴檢視牠巨大的毒牙。

加彭膨蝰,是一種毒性極強的噝蝰屬毒蛇,分布在非洲撒哈拉沙漠以南的熱帶雨林地區,它是世界上毒性最強的蛇類動物之一,擁有世界上最長的毒牙。圖/Wikipedia

那幕情景令我想起以前目睹過的一場黑猩猩狩獵行動。我們在坦尚尼亞的馬哈勒山脈(Mahale Mountains)跟隨一群黑猩猩,突然聽到樹上高處傳來一陣騷動。黑猩猩抓到獵物的時候會發出一種特殊的尖叫聲,單是這麼一種特殊聲響的存在,就顯示了牠們想要分一杯羹的意願。若不是這樣,保持安靜顯然才是聰明的做法。那陣尖叫聲吸引了其他許多黑猩猩聚集過來。有幾頭公黑猩猩抓到了一隻紅疣猴,這是黑猩猩難以自行捕捉的一種獵物,通常要團體合作才抓得到。

我抬頭透過枝葉的縫隙觀察,看見那幾頭黑猩猩在那隻猴子還活著的情況下就開始吃起牠的肉。由於黑猩猩不是「專業」掠食者,所以沒有演化出貓科動物那種有效的獵殺技巧,而牠們對待獵物的方式也反映了牠們的同理心有時而窮,就和人類一樣。許多黑猩猩都聚集過來形成一種進食集合,包括生殖器腫脹的母黑猩猩,她們通常享有進食的優先權。那整個場景非常吵雜混亂,但所有成員終究都分到了一塊猴肉。第二天,我注意到一頭母黑猩猩經過,背上騎著一頭幼黑猩猩。牠的女兒開開心心地高高揮舞著一根毛茸茸的東西,我才發現那個東西屬於那隻可憐的猴子所有:一頭靈長類動物的尾巴成了另一頭靈長類動物的玩具。

黑猩猩對「死亡」的體悟

某天早上,蓋扎.泰萊基(Geza Teleki)跟隨一群黑猩猩行動,聽到遠處傳來刺耳的尖叫聲。六頭公黑猩猩狂野地來回猛衝,一面發出「喇啊」的叫聲,迴盪在山谷之中。在一條小沖溝裡,只見瑞克斯(一頭公黑猩猩)的身軀一動也不動地癱倒在亂石之間。泰萊基雖然沒有看到他跌落的過程,但覺得自己目睹的乃是這頭公黑猩猩從樹上跌落而摔斷脖子所引發的最初反應。

幾頭黑猩猩停下來看了看瑞克斯的屍體,然後猛力向外衝,並且朝四面八方丟擲大石塊。在那樣的喧鬧狀況下,黑猩猩紛紛互相擁抱、交合、撫摸以及輕拍,臉上則是咧開嘴露出緊張的表情。接著,牠們又花了不少時間盯著屍體看。一頭公黑猩猩在一根樹枝上俯身看著屍體,發出嗚咽的聲音。其他黑猩猩則是觸摸或者嗅聞瑞克斯的屍身。一頭青年母黑猩猩更是一動也不動地靜靜盯著他的屍體看了整整一個小時以上。經過三個小時的擾攘之後,其中一頭年紀較大的公黑猩猩終於離開那片林中空地,朝下游走去。其他黑猩猩一一跟上,慢慢離開,同時不斷回頭望向那具屍體。

猿類面對死亡的反應已有愈來愈多的報導敘述。二○○九年,桃樂絲死後的一張照片在網路上爆紅,因為她的遺體引來保護區內黑猩猩群的圍觀,猩群們相當專注(但靜默得令人發毛)。這在蘇格蘭的布萊爾德拉蒙野生動物園(Blair Drummond Safari Park),一頭名叫潘希的年老母黑猩猩死亡了,其過程透過影片仔細分析,原來在她死前的十分鐘,其他黑猩猩為潘希理毛或者撫摸了十幾次,潘希的成年女兒也整夜陪在她身旁。潘希死後引起的反應從猩群成員觸碰她的嘴巴與四肢(也許是想要檢視她是否還在呼吸或者是否還能動)到某頭公黑猩猩猛擊她的遺體,這種行為也曾經在其他黑猩猩死亡之後被人觀察過。

這種表現看起來雖然像是麻木不仁,卻有可能是一種想要喚醒死者的行為。猿類面對死亡的反應通常綜合了兩件事,一是對死者的毫無回應感到挫折,二是繼續測試看看還有沒有辦法引起死者的回應。不過,圍聚在死者身旁的大多數個體都會默不作聲,彷彿意識到發生了什麼可怕的事情。研究人員觀察潘希臨終前的狀況之後,得出的結論指出:「黑猩猩對死亡的體認受到了低估。」

——本文摘自《我們與動物的距離:在動物身上發現無私的人性》,2021 年 12 月,馬可孛羅


 

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