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生命的躍升:生命的起源不是你想的那樣

貓頭鷹出版社_96
・2012/07/12 ・3086字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

生命的起源不是你想的那樣

一九五三可能是史上重要的一年,標誌著英國女王伊麗莎白二世加冕、人類首度登上聖母峰、俄國史達林的死亡、DNA的發現,以及最後但同樣重要的一件,那就是米勒跟尤瑞的實驗,它象徵著一系列生命起源研究的開端。米勒那時候還是諾貝爾化學獎得主尤瑞實驗室裡面一名固執的學生。他在二○○七年過世,也許還帶著極度的不甘,直到臨終前仍為捍衛自己半世紀前大膽提出的觀點而奮鬥。不過不論米勒那獨特論點後來的命運為何,他真正留給後人的遺產,應該是藉由那些非凡的實驗所開啟這領域的一扇門,以及那些直到今天依然讓人震驚的結果。

當年米勒在一個大燒瓶裡裝滿水和混合氣體,用來模擬他所認為的早期地球大氣組成。他所選擇的氣體是氨氣、甲烷跟氫氣。這些是根據光譜觀察後,據信為組成木星大氣的成分,因此也很有可能充斥在年輕地球的大氣中。接著米勒在這瓶混合物中通電用來模擬閃電,然後在靜置幾天、幾個禮拜或是數月後,米勒把樣品拿出來分析,看看他到底烹調出了些什麼。實驗結果大大出乎意料,遠遠超過他的想像。

米勒所煮的是一鍋太古濃湯,一鍋近乎謎般的有機分子,其中還包括一些建造蛋白質的基本成分,也就是胺基酸;這或許是當時最能代表生命的分子了,因為彼時DNA還沒沒無名。更驚人的是,米勒做出的胺基酸正好就是生命所使用的那幾種,而不是其他各種大量可能的隨機排列組合。換句話說,米勒僅僅電極了很簡單的氣體組合,構築生命所需最基本的成分就這麼凝結而出,好像它們早就等待已久隨時準備登場般。霎時間生命的起源看起來變得好簡單。這結果必定非常符合當時的某些潮流,因而甚至登上《時代雜誌》的封面,為科學實驗帶來前所未見的轟動宣傳。

不過隨著時間過去,太古濃湯的構想漸漸失去支持。因為當對太古岩石進行分析後發現,地球其實從來就沒有充滿氨氣、甲烷與氫氣過,或者至少不是在隕石大轟炸把月亮轟出去之後。此時太古濃湯理論的人氣跌到谷底。遠古那次大轟炸扯碎了地球的第一個大氣層,把它們整個掃到外太空去。如果用比較接近實情的大氣組成來做實驗,則結果頗令人失望。對二氧化碳跟氮氣的混合氣體,外加極微量的甲烷和其他氣體電極一陣子之後,只會得到很少的有機分子,而幾乎沒有胺基酸。現在當初太古濃湯的那個實驗,變得像只是為滿足好奇心所做,雖然還是一個很好的實驗,證明有機分子可以簡單地從實驗室裡面做出來,但除此之外別無意義。

不過隨後科學家又在太空中找到大量的有機分子,這發現拯救了太古濃湯理論。這些有機分子多半存在彗星與隕石上,有些彗星跟隕石甚至幾乎就只是混了大量有機分子的髒冰塊,而其中的胺基酸種類跟電極氣體產生出來的非常相近。在驚訝之餘,科學家開始尋找:這些組成生命的分子有無任何特殊之處?在眾多有機分子中,是否有一小群特別適合形成生命?至此,隕石大轟炸有了另外一個面貌,它不全然是毀滅性的,這些撞擊變成為地球帶來水與生命源頭有機分子的終極來源。這個太古濃湯並不是在地球上形成,而是從外太空來的。雖然大部分的有機分子會在撞擊的過程中耗損掉,不過科學計算的結果顯示,仍有足夠的分子可以留下來成為湯的原料。

這假設雖然不像霍伊爾爵士所提倡的生命是由外太空播種到地球上那樣極端,不過它確實把生命起源(或至少太古濃湯)跟宇宙的組成成分連結在一起。地球生命現在不再只是一個例外,而是統治整個宇宙的定律之一,就像重力一樣無可避免。天文學家當然很歡迎這個理論,至今依然。除了這點子實在不錯以外,更重要的是它讓天文學家有飯可吃。

這濃湯還因為添加了分子遺傳學而更美味,主要是因為生命的本質就是「複製子」,特別是基因這種複製子,而基因是由DNA跟核糖核酸(RNA)所構成,它們可以一代又一代精確地自我拷貝(在下一章會談得更詳細)。確實,天擇少了「複製子」這類東西絕對行不通,而也只有透過天擇,生命才可能由簡而繁。如此,對許多分子生物學家來說,生命的起源就等同複製的起源。而太古濃湯符合他們的需求,因為湯裡面有各式各樣的成分,足以讓彼此競爭的複製子成長並演化。這些複製子可以在夠濃稠的湯裡各取所需,形成愈來愈長、愈來愈複雜的聚合物,最後並帶入更多分子來形成精巧的構造,像是蛋白質或是細胞。從這個觀點來看,這鍋湯就像是飄滿英文字母的海洋,正在拼湊出許多單字,現在只等著天擇將它們釣上來去寫出漂亮的散文。

但是,太古濃湯是有毒的。它有毒並不是因為這構想必然錯誤,事實上遠古時期很有可能真有太古濃湯,只不過非常稀薄,遠不像當初想像般濃稠。它有毒是因為這構想讓科學家在尋找生命真相的時候,走了幾十年的冤枉路。如果我們在一個錫鍋裡面裝滿滅過菌的湯(或者一鍋花生醬好了),放個幾百萬年,生命會跑出來嗎?當然不會。為什麼?因為這些成分只會漸漸分解,什麼都不會發生。就算你持續對錫鍋通電也不會改善情況,那些成分只會分解得更快。偶然強大的放電像是閃電,也許會讓某些分子黏在一起形成團塊,不過卻更有可能劈碎它們。我很懷疑複雜的生命複製子能從這鍋湯中出現,就像〈阿肯色州旅者〉這首歌裡說的:「你無法從這裡走到那裡。」因為這不符合熱力學定律,同樣的道理,對一具屍體持續電極也無法讓它復生。

熱力學是許多書本極力避免使用的字彙之一,尤其是那些自詡為科普暢銷書的書籍。但是如果真正了解的話,它的魅力無窮,因為這是關於「欲望」的科學。原子跟分子的存在是由「吸引」「排斥」「需要」以及「釋放」所支配,它們是如此重要,以至於在寫化學書籍時幾乎不可能避免用些情色擬人法:分子「想要」失去或得到電子、電性異性相吸、同性相斥、分子想要與同性質分子共存。當化學物質的每個成分都想要配對的時候,化學反應就會發生,或者它們會不情願地被強大的外力強迫在一起。當然也有某些分子其實很想進行反應,但卻無法克服本身的羞赧。輕柔的調情也許會引發強烈的欲望,然後釋放出極大的能量。不過,或許我該在這裡打住了。

我想說的是,熱力學定律讓這個世界轉動。兩個分子如果不想進行反應的話,那就很難引起反應。如果它們想反應的話,反應就會進行,就算也許要花點時間去克服彼此的羞赧。我們的生命是由這種「需要」所驅動。在食物中的分子其實真的很想要跟氧氣反應,不過幸好這反應不會自發進行(這些分子其實非常害羞),否則我們就會燒起來。但是讓我們存活下來的生命之火,也就是分子間緩慢的「燃燒反應」,其實跟燃燒是同一種反應:就是食物中的氫原子跑出來跟氧原子結合,釋放出讓我們存活的能量。基本上,所有的生命都是由類似的「主要反應」所維持,化學反應「想要」發生,然後釋放出能量去驅動其他的副反應,這就產生了新陳代謝。所有的反應、所有的生命歸結起來都是如此,是出於兩個分子並列在一起時彼此趨向完全平衡,比如氫跟氧,兩個相反的個體快樂地結合成一個分子並釋放出能量,然後除了剩下一小灘熱水外,什麼也沒有。

而這就是太古濃湯的問題所在。從熱力學觀點來看它是死路一條。在湯裡面並沒有哪些分子真的想發生反應,至少不是像氫跟氧想要發生的那種反應。因為在這湯裡面並沒有什麼不平衡,並沒有什麼驅力把生命不斷往上推,推過陡峭的活化能高峰之後,形成一個複雜的聚合物,比如蛋白質、脂質或是多醣類分子,或者更重要的像是RNA或DNA等分子。有些人臆測第一個生命分子是RNA這類複製子,早於任何根據熱力學定律會產生的分子。這樣的想法,套句地質化學家羅素的話來說,就像是「把車子的引擎拔掉之後,還希望微調控電腦可以駕駛它」般荒謬。

(全文未完)

摘自《生命的躍升:40億年演化史上最重要的10個關鍵》第一章 〈生命的起源-來自旋轉的地球之外〉。本書由貓頭鷹出版社出版,獲2012年7月PanSci選書推薦。

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貓頭鷹出版社_96
41 篇文章 ・ 14 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》