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芭芭拉.麥克林托克──嚮往自由的獨身研究者

科學大抖宅_96
・2016/06/15 ・7252字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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我擁有很美好的時光──很難想像有更好的了。……我的人生很有意思,也非常、非常令人滿意。

1983年,諾貝爾生理與醫學獎頒給了細胞遺傳學家芭芭拉.麥克林托克(Barbara McClintock),以表彰她發現轉位因子(transposable element)的成就;這也是史上第一次由女性單獨獲得該獎項。在當時的記者會上,她這麼評論了自己的過往。然而,只要深入了解其生平,就會發現事情並非如此輕鬆;尤其,對一度考慮放棄研究工作的年輕麥克林托克而言,更是如此。

Barbara_McClintock_(1902-1992)
芭芭拉.麥克林托克在實驗室的照片(來源:維基百科

不像個女孩

芭芭拉.麥克林托克,1902年6月16日生於美國康乃狄克州。父親是醫生,奮力於建立自己的醫療診所;母親擅長彈奏鋼琴、繪畫和詩詞,靠教鋼琴課貼補家用。

出於種種家庭因素考量,芭芭拉從三歲開始、直到小學入學前,都與麻薩諸塞州的姑媽、姑丈同住。姑丈開著小貨車販賣魚貨,芭芭拉則跟著他到處跑,也常興致盎然觀察姑丈苦惱地修理車輛故障。

1908年,麥克林托克全家搬到紐約市布魯克林。可能天性使然,芭芭拉很早就顯露出獨立自主的性格,甚至在襁褓時期就習慣獨處。她鍾情於運動、以及個人就可以做的活動,例如閱讀、或靜靜坐著想事情。她會跟男生們一塊兒打球,卻跟小女生玩不起來。那時候的她,就像個小男生。

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芭芭拉的父母,一直秉持著相對開明的教養態度,讓她發展自己的興趣、也不會要求她表現得像個女孩。四歲時,父親還送了拳擊手套作為芭芭拉的生日禮物。他們認為,學校只是教育的一環,其他的生活教育一樣重要。例如,當芭芭拉表示出對溜冰的興趣,家裡就準備了最好的溜冰鞋給她,甚至允許她蹺課去溜冰。

芭芭拉和父親相當地親密。父親不但理解她,也樂於給予回應、和無微不至的照顧;母親雖然和她關係緊繃,卻也全力支持女兒的特立獨行。有次,鄰居大嬸指責芭芭拉,說她不但穿褲子[1]、還在街上跟男孩們遊玩,很不應該;必須好好學習當個女孩。獲知這件事後,她的母親立刻打電話給鄰居,堅定地要求對方不得再向芭芭拉講類似的話。

高中時期,麥克林托克發展出對科學和知識的興趣,不只常幫同學解答習題,還會試著找出不同的解法。她也開始察覺,要貫徹自己想做的事似乎並不容易;但無論如何,她都必須要順從自己的內心、不受外界限制。

麥克林托克一家四個小孩和母親的合照。(左三為芭芭拉。圖片來源)
麥克林托克一家四個小孩和母親的合照。(左三為芭芭拉。圖片來源

特立獨行

高中畢業後,儘管她想上大學,母親卻抱持反對意見:一方面,家境並不寬裕;二來,接受高等教育會讓女兒結不了婚。芭芭拉的兩位姊姊確實也在母親的勸說之下,沒有上大學(即使其中一位還獲得獎學金補助)。但母親的考量並不難理解。當時,美國女性連投票權都沒有,女人的生涯基本上完全仰賴於丈夫。

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無可奈何之下,芭芭拉工作了幾個月,並利用下班時間在圖書館自學。恰好,第一次世界大戰落幕,父親從軍旅歸來,帶來新的契機。她的父親雖然同意母親的說法、也預期芭芭拉的學術之路會走得相當艱辛,但還是採取了支持的態度,同意她進入康乃爾大學(Cornell University)農學院就讀。即使求學之路波折不斷,她的父母最終都還是選擇了在背後默默支持芭芭拉的決定。

時值1920年代,隨著戰爭結束,年輕士兵返鄉引起了新一波的社會風氣轉變。爵士樂誕生、較開放的性關係、非法酒吧[2]裡的飲酒作樂、原住民和同性戀等少數族群得到稍微平等的對待;女性的地位亦有所提昇,包括取得投票權。人稱咆哮的二十年代(Roaring Twenties)。

在當時的社會氛圍下,特立獨行的她如魚得水,率校園女學生之先,將頭髮理成鮑伯頭式的短髮、在公開場合抽菸;玩爵士樂,隨當地爵士樂團到酒吧或餐廳彈奏班卓琴(五弦琴)。她盡情地修習有興趣的科目,而且一點也不在意成績。

在大學裡,不論社交上、或智識上,麥克林托克都得到許多成長,不但獲選為女性新生的級長,也被邀請加入姊妹會;不過,當她發現姊妹會相當排外、並非所有人都能進入時,就拒絕了邀約。

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頭兩年,她也常常約會,不過這些關係都沒持續下去。日後她回憶:「我並沒有強烈的需求要和某人有依附之情,我就是感覺不到它。我永遠不了解婚姻,現在依然……我從來沒經歷過需要它的時刻。」獨處帶給她的舒適,以及對理解、學習新事物的狂喜,才真正構築了她的一生。對麥克林托克而言,最大的喜悅永遠來自於科學研究工作和解開謎團。

她不顧家人反對,選擇了就讀大學;也不顧旁人目光和社會對性別的枷鎖,盡情做自己想做的事;她不想受到感情的束縛,只願專注在喜歡的科學研究。

明確的志向

除了修習植物學系夏普教授(Lester W. Sharp)[3]所開的細胞學,1921年秋,她也選修了植物育種系哈奇森教授(C. B. Hutchison)的遺傳學;學期結束後,可能因為對麥克林托克的表現印象深刻,哈奇森打電話邀她繼續修習研究所的遺傳學課程。芭芭拉很高興地允諾了。「很明顯地,這通電話為我的未來定了調。此後我就一直待在遺傳學領域。」在自傳裡,她這麼回憶。

1923年,麥克林托克以很普通的成績(比B稍低一些),獲得主修植物育種和植物學的學士學位。正如她在生活各方面一直很清楚自己想要什麼,她對研究所的方向一點都不感到懷疑──那必須同時包含遺傳學和細胞學兩者;簡而言之,細胞遺傳學。

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她天殺地擺明是個新品種!

當時,康乃爾大學擁有一群傑出的遺傳學家,但遺傳學是由植物育種系開設,而該系卻不接受女性研究生[4]。所以,芭芭拉在植物學系註冊為研究生,主修細胞學,並副主修遺傳學和動物學。為了工作方便,她捨棄裙裝,改穿及膝五分褲──這在當時是很前衛的選擇。

麥克林托克很擅於使用顯微鏡,常常可以發現別人看不出的細胞結構和變化。對喜愛的事物,她的專注力與熱情令人驚訝。她曾講過這麼個小故事:

當我還是大學裡的菜鳥時,修了地質學──而且我真的很愛地質學。所有人沒有例外地都必須參加期末考。……我對這門科目太熟了,懂得的遠多過課堂傳授的,所以迫不及待希望期末考趕快來。……我一點都不想被寫名字這種事干擾,打算先看題目。我很開心地馬上作答,且極度享受這個過程。當一切順利完成,正打算寫下名字時,我卻一點也想不起來。我只能窘在那裡、無能為力。我也不好意思問其他人自己的名字到底是什麼──他們只會當我腦袋有問題。我愈來愈焦慮,直到約二十分鐘後名字才浮現在腦海中。

進入研究所後,她擔任細胞學家蘭多夫(Lowell Randolph)的助理。這段合作關係雖然短暫,但他們共同研究了玉米花粉裡染色體的減數分裂行為,並發表論文──這也催生了玉米的細胞遺傳學。

雖然麥克林托克還沒拿到學位,剛到康乃爾大學工作的博士後研究員羅茲(Marcus Rhoades)卻發現了她的才能。「見鬼了!」他說:「她天殺地擺明是個新品種![5]」在(後來成為她終生好友的)羅茲支持下,芭芭拉在康乃爾大學擔任研究生及博士後研究員期間,逐漸組織起一個小研究群組,成員包括了研究生、博士後研究員與教授,甚至未來的諾貝爾獎得主喬治.比德爾(George Beadle)。

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1927年博士班畢業後,麥克林托克留在康乃爾大學擔任講師。延續之前的研究,她發展出辨別玉米全部十條染色體的技術,並於1929年發表了玉米的染色體組型(idiogram);隨後,成功辨識出玉米最小染色體裡的基因連鎖群(linkage group);同時,又跟女研究生克萊頓[6]證實同源染色體在減數分裂時的染色體互換(crossover)作用;1931年,她發表了史上第一份玉米基因圖譜。

短短數年間,康乃爾大學研究群在玉米細胞遺傳學得到飛躍般的進展。

1929年,麥克林托克(右一)和同事的合照(圖片來源)
1929年,麥克林托克(右一)和同事的合照(圖片來源

獨身主義和尋找機會

雖然芭芭拉取得博士學位、事業亦蒸蒸日上,她的母親還是希望她能夠找到個好人家嫁了。在生活上,她非常地嚴以律己,時間也安排得有條不紊:所有行程都預先規劃得無縫接軌,以達最大的工作效率;相較之下,對於婚姻她卻是一點都沒有想要處理。她也曾有過對象,但麥克林托克認為自己太獨立、無法接受過於親密的關係。

婚姻只會是災難。男人不夠強……而且我知道我會是那個主導關係的人……我會讓他們的生活變得一團糟。

1931年開始,在美國國家科學研究委員會(National Research Council)及其他一些單位的經費支援下,除了康乃爾大學,她也分別到密蘇里大學和加州理工學院工作,開著她的福特A型車到處跑,並做了一系列重要研究。尤其,密蘇里大學的教授施泰德(Lewis Stadler)教導她如何利用X光引發玉米染色體的基因突變,這成了日後麥克林托克很重要的研究工具。她回憶道:「我每天早上都迫不及待地想趕快去實驗室,我痛恨睡覺。

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1933年,她短暫去了德國。但是,第二次世界大戰前夕的德國,社會氣氛並不好,以至於她很快就返回了美國。

此時她已得到博士學位接近七年,也做出許多重要成果。麥克林托克的名聲愈來愈響亮,但一直找不到全職的研究工作;她有著最傑出的學術成就,卻只能長期待在學術職位的最底層。那是艱困的經濟大蕭條年代,工作機會本就不多,提供給學術頂端女性的職缺更是幾乎沒有。即使如此,她卻依然堅持走著自己的路,尋找任何可能的機會。

若結婚就滾蛋

1936年,在好友施泰德的力薦下,麥克林托克終於得到密蘇里大學的助理教授一職。然而,這依然不是終身職,而且教員間的會議她也不能參與;不但升職無望,更可能隨時得捲鋪蓋走路。

有次,一位跟芭芭拉同名同姓的女士在報紙上刊登了結婚告示[7],密蘇里大學植物系主任氣急敗壞找了她來:「如果妳結婚,就會被炒魷魚。」在密蘇里大學的狀況真是「太糟了、太糟了、太糟了。[8]」麥克林托克多年後這麼抱怨:「女性的處境是令人難以置信地惡劣。

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她總是穿著褲裝;週末忘記帶系所鑰匙還會爬窗戶進去,引發軒然大波。同時,她的課堂教學也實在不亮眼。對於她種種「所謂」不得體的作風,以及差強人意的授課表現,密蘇里大學校方是看在眼裡、記在心裡。

1941年,麥克林托克最終忍無可忍,衝進院長辦公室,直截了當詢問是否有任何可能被晉升為終身職。對方搖著頭,給了否定的答案。事實上,只要施泰德離開密蘇里大學的話,她可能就會被革職──他又補充道。麥克林托克當下立刻做了決定,不想再留在這鳥地方了!即使不知道下一份工作在哪裡,她收拾行李、開著愛車,頭也不回地離開。總之,她是絕不會再回來了,即使轉行、再也不做遺傳學研究,也在所不惜。

當時,她的成就已經引發了遺傳學的革命,還是美國遺傳學會的副會長;她的早期實驗也被認為是最重要的生物學實驗之一。然而,她就是找不到穩定的經濟來源──終身職的研究工作幾乎只保留給男性,女性要得到是難上加難。

一直以來,麥克林托克總是順從自己的內心而行;即使路途艱險,尚能披荊斬棘、化險為夷。唯獨這次,她恐怕真的是無法再隨心所欲了……

絕望與轉機

離開密蘇里後,萬念俱灰,但麥克林托克仍念茲在茲自己的玉米田。她寫了信詢問好友羅茲的種田計畫。冷泉港(Cold Spring Harbor)。她得到如此答覆。

在羅茲的居中引介下,麥克林托克得到卡內基華盛頓研究所(Carnegie Institution of Washington)在冷泉港實驗室的一年聘研究職。雖然仍有所疑慮,不確定是否要持續這種生活,但她還是答應赴約。可能上天終於看到了她的努力。過不了多久,麥克林托克即被聘為終身職研究員──她總算可以專心種玉米了。

冷泉港實驗室對她來說,是最完美的工作場所:所有人都穿著牛仔褲、每週工作七、八十小時、而且都喜歡生物學研究;不需要教書,研究也沒有任何限制。「我有完全的自由……我可以做任何想做的事,而且不會有任何的反對意見,可說是完美。你無法找到比這更好的工作了──其實就像是沒工作一樣。」她這麼形容這份工作。

1944年,麥克林托克被選為美國國家科學院(National Academy of Sciences)史上第三位女院士;緊接著,1945年又獲選美國遺傳學會的會長。當她接到消息時,並沒有歡欣鼓舞,反而是百感交集地留下眼淚。如果她是男人,應該會很高興地接受這一切;但作為女人,感受就相當不同了──喜悅、壓力與責任夾雜而來。在寫給朋友的書信中,她說:「猶太人、女人和黑人已經習慣那些針對他們的各樣歧視,所以通常沒太多期待。我不是女性主義者,但我非常樂見那些加諸在猶太人、女人跟黑人等的不合理疆界被打破──這種事情對我們所有人都有益處。

麥克林托克和她在冷泉港的玉米田(圖片來源)
麥克林托克和她在冷泉港的玉米田(圖片來源

轉位因子與飽受冷落

從自己種的玉米田,麥克林托克發現,有別於她原先的預期,玉米顏色似乎呈現某種奇怪的模式。經過一番研究,她在玉米的染色體中發現了兩個特殊的基因位點(loci);二者不但可以在染色體中轉移位置,之間還存在緊密的關係。因為它們能夠控制其他基因的開啟或關閉,所以芭芭拉稱之為控制因子(controlling elements);隨著控制因子的移動,基因是否作用、和基因突變產生的效應,都不是固定不變的。甚至,外在環境也可能影響到基因的運作。

在此之前,基於過往的證據,遺傳學界認為,染色體裡基因的位置和順序是固定的、不太會發生變動。然而,麥克林托克的細心和追根究底,讓她發現了嶄新的、調節與控制基因的動態性運作機制。不僅如此,她更看出箇中蹊蹺:同樣的機制,或許也能為許多動、植物變種(如變種人X-Men)的成因提供解釋。現今,我們將這些自發移動的基因稱為轉位因子(transposable element),或是跳躍基因(jumping genes)。

1948年,麥克林托克寫了份報告,披露她的階段性發現;1951年,在冷泉港生物學專題討論會上,她正式發表了完整的論文。只不過,學界的反應一點兒也不好:不是困惑、就是質疑。緊接著,她又持續發表了數篇論文,社群的反應卻同樣冷淡;可以想見,芭芭拉感到非常地失望。最後,她將研究成果彙整成一篇長論文,於1953年出版;果不其然,還是乏人問津。

在那之後,她大都將研究成果紀錄在筆記本上、封存到書架的一角;僅偶爾出版一些簡短的研究摘要,甚至也不太發表演講了。即使沒人欣賞,她仍繼續著她那高深莫測的研究;同時,也廣泛涉獵其他不同的生物學領域。

我知道的科學家裡,沒有人能有這樣的紀律和自信去堅持所做的事。」日後,她的分子生物學家朋友如此形容那段時期。「當我發現他們不理解、也不當它一回事的時候,我很驚愕,但我並不在意。我就是知道我是對的。……光是研究本身就帶給了你莫大的愉悅。」芭芭拉本人倒是這麼描述。

或許,也不能怪罪生物學界的同行。當時,遺傳學的研究焦點已經改變;物理和化學原理被廣泛運用在生物學研究上,分子生物學正蓬勃發展,也獲得許多成果。另一方面,麥克林托克的實驗既困難又艱深;她也實在不擅長把複雜的研究講得淺顯易懂;即使是世界頂尖的遺傳學家都不見得明白她的研究。

此時,她已經偏離學界主流很遠,也沒辦法說服同儕相信她的成果。要一直到60年代晚期,細菌的轉位因子被發現;以及70年代,玉米基因被成功複製,其轉位因子亦被詳加分析之後,麥克林托克當初研究的重要性才被理解。名氣和名譽、也慢慢地聚集而來。

生命的榮光

1983年,在第一份轉位因子報告的35年後,諾貝爾獎的榮耀降臨於麥克林托克身上。雖然獎金對財務很有幫助,她卻很厭煩隨名氣而來的各式邀約與打擾;她一向不喜歡曝露在公眾的目光之下。

我不認為有比這裡(冷泉港實驗室)更好的機構,能如此讓人盡情做想做的事。如果是在其他單位,我肯定早就因為我做的那些事而被開除了。」她這麼回顧自己的研究生涯。冷泉港實驗室對研究員完全尊重與放手,就麥克林托克而言,是最好的工作環境;她也明白,自己的隨心所欲並不見容於大多數的研究單位。換言之,冷泉港實驗室和芭芭拉,若少了其中任何一者,轉位因子的重大發現都不可能那麼迅速出現。

雖然,在名義上她1967年就退休了,但她其實從未離開科學研究。直到接近九十歲了,麥克林托克才把工作時數縮減為每天八至九小時。她的研究,經歷了長時間的不被讚賞;她的人生,勇於對抗加諸在性別上的枷鎖。她也教導了我們,最重要的科學發現不見得馬上就會被社會認可、甚至也不會是最受注目的。她的學術成果直到現在都還是非常有用;她的成就與故事,也成為女性科學家的楷模。

1992年,她的朋友、學生和同事為她舉辦了盛大的生日派對,並出了專書紀念她的貢獻[9]。就在這個生命中最難忘的派對之後沒幾個月,1992年9月2日,麥克林托克瀟灑地離開了世界。當我們仔細回顧她的人生,正如同她終身所信奉的圭臬「我想要自由,[10]」所有的一切都是這麼率性、有主見、不受束縛──她是真正順從自己內心的自由人。

1992年出版的紀念專書
1992年出版的紀念專書

參考資料

  • 《Barbara McClintock》; J. Heather Cullen(Chelsea House Publishers)(2003)
  • 《The Tangled Field: Barbara McClintock’s search for the patterns of genetic control》;Nathaniel C. Comfort(Harvard University Press)(2001)
  • 《Barbara McClintock: Pioneering Geneticist》;Ray Spangenburg & Diane Moser(Chelsea House Publishers)(2008)
  • 《Encyclopedia of Science and Technology Communication》;Susanna Hornig Priest(SAGE Publications, Inc.)(2010)
  • 《Biographical Memoirs》;National Academy of Sciences of the United States of America(National Academy Press)(1999)
  • 《Nobel Prize Women in Science: Their Lives, Struggles, and Momentous Discoveries》;Sharon Bertsch McGrayne(Joseph Henry Press)(1998)
  • 《Handbook of Maize: Genetics and Genomics》;Jeff L. Bennetzen & Sarah C. Hake(Springer)(2009)
  • 《Classical Genetic Research and Its Legacy: The Mapping Cultures of Twentieth-Century Genetics》;Jean-Paul Gaudillière & Hans-Jörg Rheinberger(Taylor & Francis)(2005)

註釋

  • [1] 當時,褲裝並不算是女性的穿著。有興趣可以參考這篇文章
  • [2] 當時美國實行禁酒令,全面禁止一切酒精飲料的製造、販賣和進出口。
  • [3] 後來他成為麥克林托克的研究所指導教授。
  • [4] 根據近期的研究,當時植物育種系確實有女性研究生。這裡的矛盾還有待科學史研究者釐清。
  • [5] 原文:“Hell. It was so damn obvious. She was something special.”
  • [6] Harriet Creighton,日後亦成為植物學家和大學教授。
  • [7] 當時的人結婚,常常會利用刊登在報紙上的方式昭告天下。
  • [8] 原文:“Awful, awful, awful.” 因為很重要所以她說了三次。
  • [9] 《The dynamic Genome: Barbara McClintock’s Ideas in the Century of Genetics》; Cold Spring Harbor Press, 1992.
  • [10] 原文:“I want to be free.”。
文章難易度
科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

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一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

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泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

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這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

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一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

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DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

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纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

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http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
15 篇文章 ・ 23 位粉絲
「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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思考別人沒有想到的東西——誰發現量子力學?
賴昭正_96
・2022/06/01 ・4633字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

發現就是看到別人都看到的東西,但思考別人沒有想到的東西。

-Albert Szent-Györgyi,1937年諾貝爾醫學獎

在「黑體輻射光譜與量子革命」(科學月刊,2022 年)一文裡,筆者提到了普朗克如何於 1900 年 10 月 19 日靠猜測幸運地導出了符合實驗的黑體輻射光譜分佈公式;然後花了約兩個月的時間找出了可以解釋那猜測的背後物理,於 1900 年 12 月 14 日的德國物理學會會議上提出了電偶極振盪子能量(ε)量化 ε =h 為普朗克常數,ν 為振動頻率)的背後物理。因此 1900 年 12 月 14 日被公訂為「量子理論的誕生日」。

但如果良馬沒有遇到伯樂,它會是一匹良駒嗎?

普朗克:「量子假設永遠不會從世界上消失」

Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858 年 4 月 23 日- 1947 年 10 月 4 日。圖/Wikipedia

普朗克雖然找到了物理的答案,解決了他的「幸運猜測」;但那個物理卻是非常奇怪:

  1. 輻射的能量怎麼跟頻率有關呢?在古典物理裡,輻射能量只與強度有關。
  2. 任何頻率的輻射能都應該是連續的(即任何能量值都可能),怎麼是量子化的、不連續的?普朗克長期以來一直認為這只是一種數學假設或方便而已,與實際的物理無關。

在他看來,沒有理由懷疑古典力學和電磁力學定律的崩潰。普朗克不認為他的理論與古典物理學大相逕庭,因此他在 1901 年到 1906 年間,根本沒有發表任何關於黑體輻射或量子理論的文章。

1905 年,愛因斯坦提出了支持能量量化的光量子理論(見後);但 1913 年,當普朗克推荐愛因斯坦為普魯士皇家科學院士時,卻謂光量子是過分越矩的大膽假設。1914 年,普朗克本人在向柏林大學推薦愛因斯坦任教時,也做了類似的評語(儘管愛因斯坦的光量子理論構思不周,還是希望他的同事們接受愛因斯坦)。

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所以普朗克真的是發現量子力學嗎? 歷史學家和科學哲學家庫恩(Thomas Kuhn)指出:普朗克在 1900 年和 1901 年的論文中沒有一處清楚地寫道:單個振盪器的能量只能根據 ε =n獲得或耗散能量(n 是整數)。

如果這確是他的意思,他為什麼不這麼說? 如果他意識到他已經引入了能量量子化的奇怪新概念,為什麼他在四年多的時間裡一直保持著沉默? 此外,在他 1906 年的熱輻射理論講座中,普朗克還是只闡述傳統的能量連續理論,沒有提到任何電偶極振盪子能量量化的可能性。

如果普朗克早在 1900 年就如他後來聲稱那樣地「看到了曙光」,是什麼讓他在六年後改變了主意?答案應該是他 1900 年時沒看到了曙光吧?!所以庫恩認為普朗克不值得稱為發現量子力學之先驅。

無可否認地,當然也有不同意庫恩看法的科學家。事實上,普朗克也曾「確信」過量子理論標誌著物理學史新篇章的開始;例如他在 1911 年的一次演講中就自豪地宣稱「量子假設永遠不會從世界上消失」,有朝一日,這一理論注定會以新的光芒迅速地滲透到分子世界中。但那可能只是曇花一現,在他的內心裡可能還在懷疑著能量量化的真實性,否則他怎麼不支持愛因斯坦的光量子理論呢?儘管如此,諾貝爾獎委員會還是因他「發現能量量子」,於 1918 年頒發了物理獎給普朗克。

愛因斯坦是真正的「能量子不連續性的發現者」

Albert Einstein,1879 年 3 月 14 日- 1955 年 4 月 18 日。圖/Wikipedia

如果普朗克在 1900 年沒有提出能量量子假說,那是誰先提出的?1877 年,波茲曼(Ludwig Boltzmann)雖然在其統計熱力學裡使用能量量化的概念來計算物理態的分佈,但那只是為了數學處理上的方便而已。事實上,當普朗克還一直在努力地想使他的量子解釋能容於古典力學時,愛因斯坦卻馬不停蹄地在開發量子力學,所以真正認識到量子理論本質的人應該是愛因斯坦——年輕的愛因斯坦顯然比普朗克看得更深。

1905 年,愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分:

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比較維恩體系中的輻射與古典不相互作用之點粒子氣體的熵(entropy)後,愛因斯坦提出了光量子的假設,謂「就其熵的體積依賴性而言,如果單色輻射的行為與由許多獨立之 能量子組成的介質相似,則值得研究光的產生和轉換規律是否意味著光本身就是個能量子(energy quanta)」。

基於這種「啟發式原理」,愛因斯坦提出光電效應:光量子(light quantum)將其全部能量提供給單個電子;謂用這一原理導出的方程式可以解釋連納德(Phillip Lenard, 1905 年諾貝爾物理獎得主)1902 年的觀察結果,即被光打出來的電子能量與光的強度無關。所以嚴格說來,愛因斯坦才是真正的「能量子不連續性的發現者」。17 年後,愛因斯坦終因「光量子」的主要貢獻,而獲得 1921 年諾貝爾物理獎(泛科學 07/28/2021)。

在古典統計熱力學裡,有一稱為「能量均分原理(equipartition principle)」謂:在達到熱平衡時,物理體系內的任何一個自由度均應具有 kT/2 熱能。依照這個原理,晶體因原子在晶格的振動,其熱能應該是每個原子具有 3kT(每個震動有兩個自由度、三個方向,故總共有六個自由度),所以晶體的比熱是每個原子 3k(Dulong-Petit 定律)。

這一古典理論所推測出來的結果在高溫時與實驗相符;但在低溫時,實驗發現晶體的比熱趨近於零。1907 年,愛因斯坦假設晶格具有單一的振動頻率 v,因為量化的關係,其能量只能有 nhv(n 為整數)值,然後透過馬克斯威-波茲曼統計分佈求得每個振動的平均能量,對溫度微分而得到低溫時趨近於零的晶體比熱!晶體的振動實際上當然比愛因斯坦的模型複雜多了;1912 年,迪拜(Peter Debye)做了改進得到符合(非金屬固體之)實驗的結果。愛因斯坦的此一比熱理論是推動量子理論成為物理學主流的一個重要旅程碑。 

迪拜、愛因斯坦分別對於熱容與溫度之間關係的預測,在高溫時趨於 3Nk (每個原子每個方向k)的實驗值。圖/Wikipedia

第一次的索爾維會議

索爾維(Ernest Solvay, 1838-1922)是比利時化學工程師,發明了一種製造蘇打(碳酸氫鈉)的工藝而積累了大量財富,慷慨捐贈大學,並在布魯塞爾創立了索爾維醫學和社會學研究所(Solvay Institute)。索爾維的課外嗜好是物理,認為自己發現了一種關於重力如何影響「物質和能量構成」的理論。

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雖然這是一個瘋狂的理論,但「錢多學問大」,他不接受否定的答案。當索爾維向柏林大學名化學家能斯特(Walther Nernst)詢問如何傳播他關於引力的想法時,能斯特看到了一個幫物理學發展的好機會。

他狡猾地向索爾維建議資助一個探討物理學最新發展的會議:索爾維可以在會議開始時向聚集在場的最優秀物理學家講授他的瘋狂理論,然後讓物理學家開始自由地進行自己的討論。

索爾維接受了能斯特的建議,於 1911 年 10 月下旬,邀請了來自歐洲各地的 18 位頂尖科學家,在布魯塞爾舉行了第一次會議。這就是物理界名聞遐邇的「索爾維會議(Solvay Conference)」,每隔三年舉行一次,雖然一直持續到今天,但已經不再那麼獨特和奢華了。

1911 年第一次索爾維會議的照片。圖/Wikipedia

第一次索爾維會議由比利時理論物理學大師洛倫茲(Handrik Lorentz)主持,被認為是物理學界的一個轉折點[註]。那次會議的成員包括普朗克、居里夫人、盧瑟福(Ernest Rutherford )、龐加萊(Henri Poincaré)、及愛因斯坦等人,主題是輻射理論和量子,探討了古典物理學和量子理論兩種方法的問題。

儘管愛因斯坦謂該次會議「沒有任何積極的結果」,但是可以看到歐洲最著名的科學家在量子革命中的不同態度。愛因斯坦顯然最清楚當時物理學基礎已經開始動搖之危機的深刻本質,因此雖發表了題為「比熱問題的現狀」的最後演講,但卻將主題置於量子問題上,引發了一系列-特別是來自洛倫茲、普朗克、龐加萊等人-的挑戰。愛因斯坦謂普朗克在會中「頑固地堅持一些毫無疑問是錯誤的先入之見」。

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波思「發現」量子統計力學

সত্যেন্দ্র নাথ বসুSatyendra Nath Bose),1894 年 1 月 1 日-1974 年 2 月 4 日。圖/Wikipedia

在「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號)一文裡,筆者提到了 1924 年 6 月 4 日,一位任教於東巴基斯坦的講師波思(Satyendra Bose)寄了一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的 1500 字論文給愛因斯坦,附函謂「如果你認為它值得發表,可否請您將它譯出,投稿到 Zeitschrift für Physik 。」。

愛因斯坦不但親自將該篇英文論文譯成德文,於七月初以波思的名義投稿至該雜誌,並於文後註曰:「依我看來,波思推導普朗克公式的方法為一重要里程碑。該法亦可用來推演理想氣體的量子論;不久我將發表其詳細結果。」。

在該論文中,波思做了一個誤打誤撞、連他自己本人都不知道、在整篇論文中隻字未提的重要及創新性假設:光量子是不可分辨的!在古典力學裡,物理學家認為銅板是可以分辨的,因此兩個銅板出現「一正及一反」的或然率是 2/4;但如果它們不能分辨呢?則出現「一正及一反」的或然率將變成 1/3。沒想到這一「錯誤」的假設後來竟成為打開量子統計力學的鑰匙!

如果我們說普朗克「發現」量子力學,我們不是也應該說波思「發現」量子統計力學嗎?可是波思沒有普朗克幸運,未受到諾貝爾物理獎會員們的青睞!他只自嘲地說:「我已得到我所應得的名聲了。」現在物理學家稱自旋為整數的基本粒子為波思子(boson),它們所需要服從的統計力學為「波思-愛因斯坦統計」(Bose–Einstein statistics)。

結論

普朗克與波思的發現印證了前者的名言:「科學發現和科學知識只有在沒有任何實際目的的情況下追求它的人才能獲得」。但兩人似乎都沒想到他們發現了新的東西,並未思考著別人沒有想到的,只是覺得那樣做可以正確地導出黑體輻射光譜分佈及普朗克定律而已。

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是誰首先思考別人沒有想到的問題呢?如果說「發現就是看到別人都看到的東西,但思考別人沒有想到的東西」,那麼發現量子力學及量子統計力學的應該是愛因斯坦了-是他思考著別人沒有想到的東西,開闢了新物理領域。

讀者認為呢?

註解

另一影響物理學發展深遠的是 1927 年舉行的第五次索爾維會議。該會議也是由比利時理論物理學大師洛倫茲主持,主題是「電子和光子」,與會的科學家熱烈地討論了新興的量子理論基礎。出席的 29 位科學家中當然少不了愛因斯坦及普朗克,其中一半以上是或將要成為諾貝爾獎得主。

延伸閱讀

賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):裡面收集了:「太陽能與光電效應」(科學月刊 2011 年 12 月號)、「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號)、「量子力學的開山祖師-普朗克」(科學月刊 1982 年 2 月號)。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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馬雅人的祖先,帶著玉米從南方來?
寒波_96
・2022/05/05 ・3645字 ・閱讀時間約 7 分鐘

「馬雅」是中美洲知名的古代文化,也是如今擁有數百萬人口的一個族群。2022 年問世的論文,由古人遺骸中取得古代 DNA,探討馬雅人的遺傳源流,得知「馬雅人」的形成過程,包括來自其南方與北方的移民。

另一個有趣的議題是,有時候人類遷徙與農業傳播有關,那麼馬雅人的主食:玉米,在這當中有什麼影響呢?

瓜地馬拉在歐洲殖民時期,馬雅人家中的壁畫。圖/The Maya wall paintings from Chajul, Guatemala

在貝里斯考古:到馬雅文化開始以前

古代馬雅文化的分佈地點,位於中美洲的中部,包括如今的 5 個國家:墨西哥、瓜地馬拉、貝里斯、宏都拉斯、薩爾瓦多。取樣地點是貝里斯 2 處遺址 Mayahak Cab Pek(MHCP)和 Saki Tzul(ST),這兒保存的人類活動紀錄,延續超過一萬年。

之前發表的論文根據遺骸中的穩定同位素,判斷居住在這兒的居民,有些人距今 4700 年前開始吃玉米,4000 年前之後玉米成為主食;不過要等到 3000 多年前,才形成使用不少陶器的定居農村。

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新論文由死人骨頭取得 DNA,拼湊出 20 位古人的基因組。他們的年代粗略分為兩個時期,比較早的介於距今 7300 到 9600 年之間,比較晚的介於 3700 到 5600 年前之間,中間的時光缺乏資訊。

所謂的馬雅文化,大概能追溯到 4000 年前,稱作前古典期(Preclassic)的開始。所以這回年代最晚,3700 年前的樣本,也只是馬雅文化開始後沒過多久,在此之後缺乏資訊。

遺傳分析的樣本資訊。圖/參考資料 1

由南向北的大量移民

遺傳學分析發現,貝里斯遺址中超過 7300 年前的人彼此較近,可以視為當地最初的血緣。距今 3700 到 5600 年前的人,明顯偏向使用奇布恰語(Chibchan)的族群。

奇布恰語族分佈於中美洲南部、南美洲北部,也就是哥斯大黎加、巴拿馬、哥倫比亞、委內瑞拉等現代國家的疆域,算是馬雅語言使用族群的南邊。

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檢視現代的奇布恰族群,遺傳上似乎沒有北邊古早馬雅地區的 DNA 變異特徵。而距今 3700 到 5600 年前的貝里斯古人,估計只有 31% 血緣繼承本地早於 7300 年前的居民,其餘 69% 和奇布恰族群類似。

馬雅、奇布恰語族如今的分佈範圍。圖/參考資料 1

由此推測,距今 7300 年過後,早於 5600 年前(也就是論文取樣缺失的時光),馬雅地區發生過由南向北的情慾流動,不少移民帶來新血緣。但是這個「由南」似乎沒有那麼南,因為更南邊的安地斯,和奇布恰血緣的差異明顯。

這兒的「移民」應該不是大集團移民。這塊地方早於 3000 年前的人數都不多,移動性高;超過 5600 年前的移民,更有可能是少量人群,陸續進入。

種玉米的農夫移民?年代好像不太對

介紹這項研究時,有新聞寫到「由南向北的移民,將 DNA 和升級版玉米帶入馬雅地區,發展穩定生產的農業,奠定隨後馬雅文明的基礎」,但是此一論點有明顯瑕疵。進入馬雅領域的移民,和玉米這項農作物有什麼關係呢?

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綜合新的遺傳學、考古學線索,我們知道玉米原產於中美洲的墨西哥,超過 9000 年前便被初步馴化,接著往南傳播。然而,要等到好幾千年以後,南美洲才培育出馴化完全的品系,又往北傳播,融入各地當時半馴化的同類,帶動玉米農業的全面升級。

美洲各地古代與現代基因組的 PCA。3700 到 5600 年前的貝里斯人,比早於 7300 年前同一地點的居民,更接近南方哥斯大黎加的奇布恰人。圖/參考資料 1

2020 年問世的論文調查貝里斯更南方,宏都拉斯 El Gigante 遺址的古代玉米,得知早於 2300 年前某個時候,有人從其南方引進更佳的玉米品系,但是無法判斷到底多早。當地出土最早的玉米距今約 4300 年,而上述貝里斯的 2 處遺址為 4700 年前;據此猜測玉米進入此一區域,不會比這些年代早太多。

而遺傳學證據卻指出,在 5600 年前那個時刻,貝里斯已經明顯存在來自南方的血緣。顯而易見,至少在貝里斯的遺址中,南來移民現蹤的年代比玉米更早。

因此我認為,南來移民和南來玉米是兩回事,較早的移民並沒有直接帶著升級版玉米進入貝里斯,大幅改變當地原本的生產方式;玉米是更晚才引進的,不清楚是否牽涉到人群移動。

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馬雅文化古典期,提卡爾中央廣場的神廟。圖/chensiyuan@Commons CC BY-SA 4.0

馬雅文明興起,北方移民加入

古代的繁盛謝幕,受到歐洲人殖民以後,馬雅人並沒有滅團,現在仍然有數百萬人。和超過 3700 年的貝里斯古人相比,現代馬雅人約有 25% 血緣類似其北方,墨西哥高地的族群。由此推論,3700 年前到現代之間,又有由北向南的情慾流動。

「現代馬雅人」的分佈範圍不小,各地可能有點差別。分析中作為現代馬雅人的代表,是貝里斯南部的 Mopan 和 Q’eqchi’ 族群。據台灣頭號馬雅專家​馬雅國駐臺辦事處表示,這兒的馬雅人應該相對更接近墨西哥高地。

貝里斯有人類活動的紀錄超過萬年,不過到了距今 3700 到 5600 年前,只剩下平均 31% 的血緣繼承自本地更早的居民。現代居民的本地最早血緣又降低為 23%,類似南邊的奇布恰族群 52%、類似北邊的墨西哥高地 25%。

馬雅文化的分期。圖/Wikipedia

遺傳學方面,目前 3700 年前過後缺乏樣本。照考古學的分類,古馬雅文化的前古典期始於 4000 年前,公元 250 年(約 1800 年前)進入古典期(Classic),公元 950 年(約 1000 年前)開始後古典期(Postclassic)。所以可以這麼說,整段馬雅文化幾乎都缺乏遺傳樣本,我們不清楚這段期間的變化過程。

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馬雅人在古典期邁向興盛,出現提卡爾、帕連克、科潘、卡拉穆等大型城邦。考古學證據指出,古典期的馬雅人明顯受到其北方的文化影響,後古典期也有不少交流。由此推論,近 4000 年內應該有不少其北方,墨西哥高地區的移民加入馬雅世界,可惜缺乏更直接的證據。這段期間應該非常精彩,希望新的研究不要等太久。

如今世界上依然有幾百萬活生生的馬雅人,繼承祖先的血緣與文化,許多人在中美洲生活。千萬不要誤以為他們滅團惹!

貝里斯現代的馬雅人。圖/MAYA PEOPLES OF BELIZE WIN LAWSUIT AGAINST BELIZE GOVERNMENT FOR VIOLATING LAND RIGHTS

延伸閱讀

參考資料

  1. Kennett, D. J., Lipson, M., Prufer, K. M., Mora-Marín, D., George, R. J., Rohland, N., … & Reich, D. (2022). South-to-north migration preceded the advent of intensive farming in the Maya region. Nature communications, 13(1), 1-10.
  2. Ancient migrants carrying maize from south were early Maya ancestors, says study
  3. The Maya—and the maize that sustained them—had surprising southern roots, ancient DNA suggestsMigrants from the south may have helped spread early farming in Central America
  4. Kennett, D. J., Prufer, K. M., Culleton, B. J., George, R. J., Robinson, M., Trask, W. R., … & Gutierrez, S. M. (2020). Early isotopic evidence for maize as a staple grain in the Americas. Science advances, 6(23), eaba3245.
  5. Kistler, L., Maezumi, S. Y., Gregorio de Souza, J., Przelomska, N. A., Malaquias Costa, F., Smith, O., … & Allaby, R. G. (2018). Multiproxy evidence highlights a complex evolutionary legacy of maize in South America. Science, 362(6420), 1309-1313.
  6. Kistler, L., Thakar, H. B., VanDerwarker, A. M., Domic, A., Bergström, A., George, R. J., … & Kennett, D. J. (2020). Archaeological Central American maize genomes suggest ancient gene flow from South America. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(52), 33124-33129.

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。