科學家成功複製人類幹細胞

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

如果用我們的基因製造複製人，可以代替我們上班上課嗎？想像一下，如果世界上每個人都有一個雙胞胎分身？或者，如果我們可以克隆出已故的名人？甚至複製已故的寵物或親人？

當然，這些都是幻想，但複製生物技術的發展正在讓這個幻想漸漸變為現實⋯⋯

科幻小說的故事照進現實，在技術層面上有哪些困難？道德上又會引發哪些問題呢？

讓我們一起探索這項驚人技術的曲折歷程吧！

今天的文章將會回答以下問題：

1. 複製生物技術的早期實驗有哪些？又帶來什麼影響？
2. 基因複製技術最大的困難是什麼？
3. 複製技術面臨哪些主要挑戰和倫理道德問題呢？
4. 複製生物技術除了複製生物還能有哪些應用？

克隆實驗早期的探索與突破？

複製生物技術的發展是一個漫長而曲折的過程，從 19 世紀末的早期實驗，到 20 世紀中葉的技術突破，再到 21 世紀的應用與挑戰。

胚胎實驗的歷史可以追溯到 19 世紀末，當時德國生物學家杜里舒（Hans Driesch，1867-1941）進行了一項開創性的實驗。他通過搖晃的方式將四個海膽胚胎細胞分離，並觀察到每個分離的細胞都能發育成完整的幼體，儘管體型較小。這一實驗證明了早期胚胎細胞具有全能性（totipotency），即早期胚胎的每個細胞都能發展成完整個體，這為後來的細胞核移植技術奠定了基礎。

在 20 世紀初，植物學家發現通過嫁接和分裂植物組織可以產生與母體相同的植物。奧地利植物學家戈特利・哈伯蘭特（Gottlieb Haberlandt，1854-1945）提出了「植物細胞全能性」（totipotency）的概念，即每個植物細胞都具有發育成完整植物的潛力。哈伯蘭特的實驗主要是通過無菌技術培養植物細胞，雖然當時他並未成功培育出完整的植物，但他的理論和研究為後來的植物組織培養和克隆技術奠定了基礎。

1914 年，德國生物學家漢斯・斯佩（Hans Speman，1869-1941）進行了另一個具有里程碑意義的實驗。他利用了一根嬰兒頭髮製作的環狀結，將其繫在受精的蠑螈卵細胞上，並將細胞核推到一側。當細胞核所在的一側開始分裂成多個細胞後，他鬆開結讓一個細胞核滑回未分裂的細胞一側，從而產生了兩個獨立的細胞群，這些細胞群最後發育成了兩個完整的胚胎。這是最早的核移植（nuclear transfer）實驗，顯示了細胞核在胚胎發育中的重要性​。

20 世紀中葉，科學家們進一步推動了克隆技術的發展。1952 年，美國科學家羅伯特・布里格斯（Robert Briggs，1911-1983）和湯瑪斯・金恩（Thomas Joseph King，1921-2000）首次成功地將青蛙胚胎細胞的細胞核移植到去核的卵細胞中，並培育出蝌蚪，雖然這些克隆青蛙無法存活至成年，但這實驗證明了細胞核可以在去核卵母細胞中重新編程，進而發育成新個體。

桃莉羊的誕生：克隆技術的重要里程碑

克隆技術的重大突破出現在 1996 年，當時英國羅斯林研究所的伊恩・威爾穆特（Ian Wilmut，1944-2023）和基思·坎貝爾（Keith Campbell，1954-2012）成功地克隆了第一個成年哺乳動物，也就是廣為人知的——桃莉羊（Dolly）。他們使用的是一隻成年綿羊的乳腺細胞核，將其移植到一個去核的卵細胞中，最終培育出桃莉。這一成就震驚了全世界，因為它證明了成體細胞的基因信息可以被重置為胚胎狀態，並成功發育成為一個完整的生物體，標誌著克隆技術的一個重要里程碑​。

桃莉羊的誕生引發了廣泛的科學和倫理討論。一方面，科學家看到了複製技術在醫學研究、保護瀕危物種以及農業中的潛力。另一方面，社會各界對複製技術的倫理問題表示擔憂，特別是人類複製的可能性。

桃莉羊的成功開啟了克隆技術的新篇章，此後，小鼠、牛、山羊等多種哺乳動物相繼被成功複製，展示了這一技術的廣泛應用潛力。同時，科學家們將目光投向了更為複雜的靈長類動物。

靈長類動物的複製技術在 21 世紀取得了進一步的突破。2018年，中國科學家成功利用與桃莉羊相同的「體細胞核轉植」技術複製出兩隻有相同基因的長尾彌猴「中中」和「華華」，標誌著克隆技術的又一個突破​。2020年中國又成功複製了恆河猴，並取名為「ReTro」，不同於印象中印象中複製動物壽命都很短或是飽受疾病之苦，ReTro 在今年（2024年）已經要滿四歲了，是首隻平安長大成年的複製恆河猴。

複製技術的挑戰？

儘管克隆技術在基因層面上已經相對成熟，但要複製出健康的個體仍然面臨巨大挑戰。許多克隆動物都表現出健康問題，如免疫系統缺陷、心血管問題、早衰、壽命縮短或在在肝、腎、肺、大腦、關節等地方產生發育上的缺陷，也有部分出現體型異常巨大的問題​​。例如綿羊的正常壽命約在 12 年左右，但桃莉羊在 6 歲時，就因關節炎與肺部感染而去世。

這主要是因為，細胞核在卵細胞中的重新啟動過程容易出現問題，導致克隆個體可能存在基因表達異常。即便是中國科學院成功複製的 ReTro 也只是難得成功的個案。

基因複製出的人類會和本人完全一模一樣嗎？

克隆技術，特別是克隆人類，涉及複雜的倫理和道德問題。一方面，克隆技術可能會被用來治療某些疾病，或是用於治療遺傳疾病和器官移植，甚至延長壽命；但另一方面，它也可能被濫用，導致倫理危機。例如，克隆人類可能引發身份認同問題，並挑戰現有的社會和家庭結構​，反對者擔心擔心這樣的技術會對社會和人類本質造成不可預見的影響。

如果突破細胞核重新啟動的困境，複製出來的克隆人會和本人完全一樣嗎？

答案是：「不會」。

美國演化生物學家阿亞拉（Francisco J. Ayala，1934-2023）在《美國國家科學院院刊》上提出，我們目前進行的生物複製實驗複製的只是「基因型」而非「表現型」。基因型指的是基因組成；而表現型指的是包含個體外表、解剖結構、生理機能以及智力、道德觀、審美、宗教價值觀等行為傾向和屬性，還有透過經驗、模仿、學習所獲得的特徵。表現型是基因與環境間複雜作用下的產物。基因型的複製就像是同卵雙胞胎，就算長得再像，他們怎麼樣都不會是「同一個人」。透過生物複製技術基因複製出的克隆人，其實也只不過是跟你擁有相同基因的雙胞胎而已。

不過目前世界上也存在一種能複製表現型的技術，那就是——「AI」。

隨著人工智能技術的進步，模擬人類個性和行為變得越來越現實。例如，AI 可以通過學習大量數據來模擬特定個體的行為模式，甚至在某些情況下，AI 克隆可能會比生物克隆更具實用性。然而，這也帶來了新的風險，包括隱私泄露、數據濫用等​​。

複製技術在生物醫學領域來能有哪些應用？

複製技術的應用範圍廣泛，涵蓋了醫學研究、農業、生態保護等多個領域。

複製技術在生物醫學領域具有巨大的潛力。幹細胞治療可以利用克隆技術培育出患者自身的幹細胞，從而避免免疫排斥反應。製藥公司可以利用克隆動物來進行藥物測試，提高藥物研發的效率和準確性​。科學家也可以生產出大量具有相同基因組的細胞，用於研究疾病機制和開發新藥。克隆技術被用於創建動物模型，這些模型有助於研究人類疾病的機制和治療方法。例如，科學家利用克隆技術創建了患有阿爾茨海默症和帕金森症的動物模型，這些模型為藥物開發和治療策略的研究提供了重要的工具。

在農業領域，複製技術被用於繁殖優良品種，增加牲畜的生產力和抗病能力。通過克隆優秀的畜禽個體，農民可以提高產量，降低疾病風險，從而提高農業生產的效益。

此外，複製技術在生態保護方面也有重要的應用。許多瀕危物種由於種群數量減少，面臨滅絕的危險。科學家們利用複製技術試圖保護這些物種，例如，已經有研究成功克隆了瀕危的野生動物，為保護生物多樣性提供了新的方法。

結論

總結而言，複製生物技術的發展歷程充滿了挑戰和機遇。從早期的胚胎細胞分離實驗，到 20 世紀中葉的核移植技術，再到 1996 年桃莉羊的成功，科學家們在不斷探索和突破。儘管技術上取得了許多進展，但複製健康個體的挑戰仍然存在。此外，倫理和道德問題也不容忽視。未來，隨著技術的不斷進步，克隆技術在生物醫學領域的應用將更加廣泛，但我們也必須謹慎對待其可能帶來的社會和倫理影響，我們需要謹慎管理這項強大的技術，在發揮其潛力的同時，避免可能帶來的社會和倫理風險。

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參考資料

• https://thekeep.eiu.edu
• https://esg.businesstoday.com.tw/arti…
• https://learn.genetics.utah.edu/conte…
• https://www.genome.gov/about-genomics…
• https://education.nationalgeographic….
• https://timesofindia.indiatimes.com/h…
• https://www.statnews.com/2020/02/21/h…
• https://variety.com/2023/global/asia/…
• https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas…
• https://theconversation.com/ai-clones…
• https://www.gzeromedia.com/gzero-worl…
• https://www.gzeromedia.com/gzero-worl…
• https://www.scientificamerican.com/ar…
• https://www.bbvaopenmind.com/en/scien…

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

因被極有彈性的膜和果凍層包圍著，非洲爪蟾的卵與其它兩棲動物的卵不同，使得微量移液器無法穿透，所以我第一次嘗試在非洲爪蟾中移植細胞核完全不成功。⋯⋯如果實驗——或其他事情——沒有立即成功，請不要放棄！

——格登（John Gurdon）2012 年諾貝爾醫學獎

在「認識病毒全攻略！病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡，筆者提到細胞是生命的基本單位，它主要由基因組（genome）、細胞膜（cell membrane）、細胞質（cytoplasm）、和核醣體 （ribosome）組成。細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方，為細胞中的微觀工廠；核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶，因此有營養系統；不需宿主活細胞，即可自行繁殖。

高等動植物的細胞不像細菌，具有真正的細胞核（nucleus），故稱為真核細胞（eukaryotic cell）。它們沒有細菌的「質粒」(plasmid)，但卻有像消化系統一樣的「線粒體」（mitochondria）來吸收營養，分解營養，並為細胞創造能量豐富的分子。

幹細胞

在大多數物種中，只有兩種完全不同類型稱為「配子（gamete）」的生殖細胞：卵子與精子。卵子是生物體中最大的細胞，而精子則是最小的；它們可以說是「發育不完全」的精簡細胞：卵子只具有細胞核及細胞質，精子則只具有細胞核及粒線體；它們的細胞核內均只有一半的染色體（稱為「單倍體基因組」）。儘管如此，卵子還是是最引人注目的動物細胞：因為一旦被精子活化（精子與卵子融合，稱為「受精」¹），它可以在幾週內產生一個全新的個體。

人類的卵子受精後約五到六天，就會分裂形成大約一百個細胞的囊胚（blastocyst），見上圖右半。囊胚由內部細胞群（inner cell mass）及囊胚外層（trophectoderm）組成：前者將繼續分裂發展成胚胎（embryo ²），後者則將附著在子宮內膜成為胎盤 （placenta），保護和滋養發育中的胚胎。因為受精卵（zygote）可以分裂產生所有的細胞（包括胎盤），故稱為「全能幹細胞（totipotent stem cell）」。內部細胞群的細胞則因能繼續分裂發展成生殖細胞及體細胞（somatic cell）的人體各部位器官，故稱為「多能幹細胞 （pluripotent stem cell）」，又稱為「胚胎幹細胞（embryo stem cell）」，簡寫為 ES。

生殖細胞及體細胞一旦形成後，就有其特定「專業化」的功能，不能再如幹細胞一樣轉換成其它細胞。因此自 20 世紀初以來，一直困擾細胞生物學家的問題是：體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎？一個受精卵如何會在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞呢？這些體細胞又如何記得繼續分裂成同樣的體細胞呢？

布里格斯（Robert Briggs）和金 （Thomas King）於 1952 年在活體生物體中進行了首次青蛙核移植 （nuclear transfer）實驗：將一個早期胚胎細胞核移植到去核的卵細胞中。他們發現不同發展階段的胚胎核可以造成非常不同的結果：早一天的可以繼續發展成青蛙，晚一天的則胎死腹中。此結果顯然回答了第一個問題：細胞核的遺傳物質在開始分化時會發生不可逆轉的改變，如重新排列遺傳物質使其變得更加專業化、永遠有效地關閉不使用的基因、甚或拋棄數百個不再需要的基因等等。

克隆教父——約翰．格登爵士

格登（John Gurdon）1933 年出生於英國漢普郡（Hampshire）迪彭霍爾（Dippenhall）。就讀於伊頓公學 （Eton College）寄宿學校時，成績不是特別好。在上了一學期的生物學後，老師寫了一份報告說：「我相信格登想成為科學家，但從目前的情況來看，這是相當可笑的。如果他不能學習簡單的生物學事實，他就沒有機會從事專家的工作，這對他和那些必須教他的人來說都純粹是浪費時間。」所以格登畢業後申請了牛津大學的古典學課程，但招生導師因為缺少理科生，告訴他說：「我很高興地告訴你，我們可以接受你，但有兩個條件：一是你得立即開始，第二是你不要學習你參加入學考試的科目。」就這樣，格登終於追求到他的夢想，最後在牛津大學取得發育生物學博士學位。你說人生不是一連串的巧合與意外麼？

1956 年格登開始了核移植的博士研究：但不是移植正在發展中的胚胎細胞核，而是移植已經發展完全的體細胞核到去核的未受精卵內——稱為「體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer，SCNT，見上圖左半 )」。格登早期得到的結論因與布里格斯和金的結論相左，因此受到了強烈的批評。1962 年，格登將西部矮爪蛙（學名 Hymenochirus curtipes）的腸細胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中，竟然發現這種經過改造的卵細胞可以長成一隻新的西部矮爪蛙！這毫無疑問地證明了：(1) 成熟的細胞核仍含有形成所有類型細胞所需的遺傳訊息(即與受精卵具有同樣的基因)，(2) 幹細胞在發展中專業化成體細胞是可逆的。

克隆哺乳動物

格登成功地從體細胞核複製／克隆 (clone) 了兩棲類動物青蛙，當然立刻有科學家想到是否可以用同樣的方法來複製哺乳動物。可是為什麼要等到 30 多年才出現克隆的多莉羊 (Dolly the sheep ³ ) 呢？原來格登選青蛙是有其理由的：兩棲類動物的卵子都是透明、且非常大，一產就大量排出體外。即使這樣，他的成功率還是低的；還好正如筆者在「愛因斯坦所相信的上帝，是你以為的那位上帝嗎？」一文裡所說的「要證明上帝存在比證明祂不存在簡單多」，格登只要在幾百個實驗中不被合理質疑地克隆出一隻青蛙就夠了。

多莉的生命始於試管中的一個單細胞（取自芬蘭多塞特羊的乳腺細胞核和蘇格蘭黑臉羊的去核卵細胞），六天後在實驗室確認正常發育後，胚胎就被轉移到代孕母親體內，於 1996 年 7 月 5 日出生。但在英國羅斯林研究所 (Roslin Institute) 發表論文前，白臉多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的誕生後，全世界的媒體紛紛湧向羅斯林去一睹這只如今聞名的綿羊風采，也引發了媒體關於克隆倫理的爭論。

現在大部分先進國家都已經禁止克隆人的實驗，因此各地的實驗室大都只克隆人類胚胎細胞，作為研究及治療用。2018 年，中國科學院上海神經科學研究所首次利用 SCNT 成功克隆靈長類動物，誕生了兩隻名為「中中」和「華華」的食蟹雌獼猴。

誘導多能幹細胞

到了 21 世紀初，研究胚胎幹細胞的科學家已經鑑定出二十多個似乎對胚胎幹細胞至關重要的基因。這些基因的功能不一定相同：有些對於自我更新很重要（即一個 ES 細胞分裂形成兩個 ES 細胞），而另一些則用來阻止幹細胞分化。科學家也找到如何在培養皿中維持多能胚胎幹細胞的方法，及如何改變培養條件使其分化成各種細胞類型，如肝細胞、心臟細胞、和神經元等。但他們能否利用這些資訊將完全分化成熟的體細胞變成像胚胎一樣的幹細胞嗎？

2006 年，日本京都大學的山中伸彌（Shinya Yamanaka）和博士後研究員高橋（Kazutoshi Takahashi）終於宣稱只要透過其中四個基因，即可將小鼠纖維母細胞（只能產生其它纖維母細胞）重新編程 （reprogramming），成為能產生多種不同類型細胞的多能幹細胞。他們將這樣製造出來的幹細胞稱為「誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）」。山中伸彌與格登兩人因研究出如何將專業化的成熟細胞重新編程使其具有多能性，而一起榮獲 2012 年諾貝爾醫學獎。

重新編程

精子和卵子像體細胞一樣，也是由受精卵分化出來了，所以應該是一個高度專業化的細胞，但它們融合成受精卵後又變成全能幹細胞，因此顯然融合後的細胞核被卵子微觀工廠的細胞質重新編程，失去大部分分化時的分子記憶（尤其是精子核，變成一張幾乎完全空白的畫布）。格登與複製綿羊的維爾穆特（Ian Wilmut）和坎貝爾（Keith Campbell）就是利用了這種重新編程現象，將體細胞核插入卵細胞質中創造出了新的克隆。

卵子的細胞質顯然就像一個巨大的分子橡皮擦，它能非常迅速地在 36 小時內完成這個重新編程過程，擦掉了細胞分裂過程中專業化的修飾痕跡（imprinting）。在提高山中伸彌之體細胞重新編程為 iPSC 細胞的效率（遠低於1%）和速度（需要數週）上，分子生物學家雖然已經取得了很大進展，但與自然界一比，仍相差甚遠。

筆者寫這篇文章的動機事實上是出於想解救同性戀的傳宗接代問題。研究顯示雖然不存在單一的同性戀基因，但來自數十萬人的 DNA 也揭示了一些與同性性行為有關的基因變異。在「同性戀、熊貓、與適者生存」（科學月刊 2014 年 7 月號，見《我愛科學》）一文裡，筆者提到：傳宗接代為「種族生存」的必要條件；同性戀者不能傳宗接代，不是遲早將從地球上絕跡嗎？一個筆者想到的解救的方法是：像體細胞核移植一樣，用同性「夫妻」的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性與雄性原核 (pronuleus)，希望它們融合後能繼續發展成胚胎⋯⋯。

筆者正在幻想如何申請專利賺大錢時，卻發早在 1980 代，肯亞裔的英國發育生物學家蘇拉尼（Azim Surani ⁴）就已經開始了類似的研究。他以老鼠為對象的實驗毫無疑問地證明了哺乳動物的繁殖不只是傳遞系統的問題：不僅需要兩個單倍體基因組來融合形成一個二倍體核的受精卵，事實上其中一個必須來自母親，另一個來自父親！顯然卵子之細胞質的重新編程不是 100% 地擦掉了所有分裂過程中的修飾、專業化痕跡，而是至少保留了一些必要的基因來源資訊！⋯⋯夢想破滅，只好重做馮婦執筆寫文章（保證不是人工智能代寫的），悲哉！請點個「讚」以聊慰筆者之失望吧！先謝啦！

結論

幹細胞具有非凡的自我更新潛力：在生命早期和生長過程中可以在體內發育成許多不同的細胞類型。幹細胞可以分成多能幹細胞和「成體幹細胞（adult stem cell）」兩類。前者就是我們討論過的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞；後者也稱為「體幹細胞（somatic stem cell）」，它們已在許多器官和組織中被發現（通常在特定的解剖位置⁵）。這些特定器官的體幹細胞雖然不是多能的，但在生物體的整個生命週期中，卻扮演著非常重要的內部修復工作：它們可能會長時間保持靜止（不分裂），直到需要替代因正常磨損或疾病而損失的細胞時才被活化。

即使法律上不准複製人，相信讀者早已看出幹細胞在醫療上的可能作用：如果我們能用與我們體內相同的新細胞來取代罹患第一型糖尿病時失去的胰島素分泌細胞、或阿茲海默症失去的腦細胞、或骨關節炎失去的軟骨生成細胞等，那就不必擔心器官移植所造成的免疫系統排斥問題，或缺乏可用來移植的器官的困擾。這種使用克隆幹細胞來作為醫學治療用的領域稱為「治療性克隆（therapeutic cloning）」。

本文只回答了 20 世紀初以來一直困擾細胞生物學家的第一個問題：體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎？至於如何重新編程、一個受精卵如何在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞、這些體細胞又如何在分子層面上被修飾使其只能繼續分裂成同樣的體細胞等更複雜的問題，則需等待新興的「表觀遺傳學（epigenetics）」來回答。

註解

1. 在某些生物體中，精子並不是嚴格必需的，它們可以透過各種非特異性化學或物理處理來人工活化卵子；例如一些脊椎動物（如一些蜥蜴）的卵子通常是在沒有精子活化的情況下繁殖的，稱為「孤雌生殖（parthenogenesis）」 。
2. 像胎兒（fetus）的生命從什麼時候開始一樣，胚胎從什麼時候開始也沒有嚴格一致的共識。因當囊胚成功地植入子宮內膜時，母體會立即開始產生荷爾蒙來支持懷孕，筆者認為這應該是很好的胚胎起始點。到受精後大約八個禮拜，大部分人體器官和系統均已成型，也可偵測到心跳。第八週後稱為胎兒。
3. 以美國西部鄉村歌手 Dolly Parton 的名字命名。
4. 因試管嬰兒而獲得 2010 年諾貝爾獎之愛德華茲（Robert Edwards）的博士學生。
5. 不是所有的器官都有這些體幹細胞，例如心臟就沒有，因此一旦數以百萬計的心肌細胞因缺氧(心肌梗塞)而死亡時，人體內就沒有自然系統可以取代它們。反之，肝臟則是具有高度再生能力的內臟器官，它可以在化學損傷或手術切除後再生。

延伸閱讀

• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）。
• 「日常生活範式的轉變：從紙筆到AI」（泛科學，2023/03/08） 。
• 「要被接受，需有不被合理質疑的證據 從科學與蔡博士學位事件討論起」 （科技報導，2020年2月1日）。