2008年9月21日

漫談現代生物學



現代生物學為何要冠上現代兩個字呢?現代對應於傳統,現代生物學乃是對於傳統生物學做出一個簡單的區隔。

現代生物學與傳統生物學的不同在於兩者在方法上有顯著的不同。傳統生物學,受限於當代的技術,對於生物的研究著重在觀察、記錄、描述、分類;也可以說,傳統生物學仍然是一門尚未具備現代意義的科學;因為它多半只是對一個現象進行描述,根據此描述來進行假設、推測;它尚未將所觀察到的現象質化和量化。物理學家薛丁格曾經嘲笑傳統生物學:和集郵沒什麼分別。當然,這樣的說法太過於武斷;生物學畢竟在方法上和物理學有顯著的不同 - 傳統生物學是現代生物學的基礎。
 
(富蘭克林和她拍攝的DNA X光繞射圖)


現代生物學的快速發展始於1953年。那是個大家都很興奮的一年。首先由英國倫敦國王學院的女性物理學家佛蘭克林(Rosalind Franklin)和他的夥伴對DNA分子做了結晶並且取得了DNA分子X光繞射影像。隨後,在機緣巧合之下, 美國生物學家華生(James Watson)和英國物理學家克立克 (Francis Crick)根據這個DNA分子的X光繞射圖形推論出DNA的分子模型 - 雙螺旋結構。



這是個劃時代的發現。再了解這項發現的劃時代貢獻之前,讓我們先來了解何謂DNA雙螺旋結構。

DNA是生物細胞內的長鏈大分子。所謂長鏈大分子是指由許多較小的分子,向串珠一樣串在一起而形成的很長的巨大的分子。我們把這些小分子叫做單體(monomer)而把它們串在一起的大分子稱作多體(polymer);構成DNA多體的單體分子是核甘酸(nucleotide);而每個核甘酸又由三個更小的分子組成,分別是一個含氮鹽基,一個五碳醣以及一個磷酸根。

DNA結構圖



含氮鹽基一共有五種,其中四種出現在構成DNA的核甘酸中。這四種含氮鹽基分別是腺嘌呤(Adenine,又稱維生素B4),鳥糞嘌呤(Guanine);胸腺嘧啶(Thymine)和胞嘧啶(Cytosine)。為了方便表示,當我們在表示DNA序列(單體排列的順序),都會採取四種含氮鹽基的第一個字母來表示,比如ATGCCGTACCGG

生物體內的DNA分子是雙螺旋結構。意思就是,DNA分子是由兩條DNA長鏈分子互相以螺旋方式纏繞。但是他們的纏繞並不是隨意的。在兩條互相纏繞的DNA分子之間,A和T之間會互相配對形成兩個氫鍵,而G和C之間也會互相配對,而由於分子特性,這兩個核甘酸之間會形成三個氫鍵。

DNA分子結構的確定,使我們得以了解生物最根本的奧祕。我們知道DNA分子負載著生物的遺傳訊息;那麼,這個訊息是如何遺傳下去的呢?要了解這件事情,首先我們要知道DNA分子以特殊的半保留方式進行複製。DNA大分子是由兩條DNA分子長鏈纏繞構成;當這個分子要進行複製的時候,原本纏繞的分子會解開,於是,每一條DNA分子長鏈都是新的一條DNA分子長鏈的模板。當複製的過程完成後,新的兩個DNA大分子各自都保留了舊分子的其中一條長鏈。DNA的半保留複製使得細胞分裂後所產生的子細胞也都帶有與母細胞相同的遺傳訊息。精子和卵子的產生過程較為複雜,暫不在此討論。


DNA的半保留複製


除此之外,生物學家經過了數年的努力之後,確定了分子生物學的中心法則(The central dogma of molecular biology)。DNA長鏈分子上的基因,保存了遺傳訊息;基因會將其遺傳密碼轉錄到mRNA分子上,而mRNA分子最後則轉譯為蛋白質執行特定的功能。(今天,我們知道並非所有的基因最終都會產生蛋白質;因此中心法則可以視為是特例。)

根據這些發現的生物的分子規則。分子生物學的技術開始蓬勃發展。透過對DNA分子的操作,分子生物學家可以製造出特定的具有特定功能的蛋白質,或是改變一些蛋白質的特性而達到生理或藥理上的目的。分子生物學使的生物學不再只是一門描述性的科學;在許多的層面上,生物學的研究均可以達到質化和量化的目的,並且藉由分子生物學的技術,我們了解了更多生物現象背後的機制;這些機制的了解可作為層面廣泛的應用,比如複製動物的技術發展,幹細胞在醫學上的研究和應用等等。

現代生物學有兩大支柱。其中之一是我們剛剛談過的分子生物學;而另一個現代生物學的支柱則是演化學

演化學的概念其實很簡單:生物與生物之間,彼此很像;但又不一樣。相像的生物乃是因為這些生物在很古早以前有共同的祖先。這些很像的生物之所以不一樣,是因為他們在漫長的時空中彼此適應各自生活的環境而發展出各自的特點。

談到演化學我們必須要談到演化學的開山祖師 - 達爾文。達爾文其實是一位海洋生物學家(或者,在那個時代稱他為博物學家);然而他所提出的天擇(Natural selection)理論卻更為有名,並且是演化學的理論基礎。

達爾文在一次隨著小獵犬號航行得途中經過南美的加拉八哥群島。在這個群島上,住著一些與美洲大陸相似但是又不太一樣的雀鳥。達爾文觀察這些雀鳥;特別是雀鳥的嘴喙;他發現雀鳥喙的大小形狀,與雀鳥的食性有密切關係。以昆蟲為食的雀鳥,喙比較細長;而以堅硬果實為食的雀鳥,喙則較為寬厚。達爾文做了詳細的觀察和分析之後,提出了他的理論:這些彼此相似的雀鳥來自相同的共同遠祖,個體與個體之間存在著差異,而在漫長時間適應環境的過程中,發展出各自的特性。環境,比方說食物的來源,給生物的壓力促使生物為了適應該環境而讓某種特性愈發明顯;這個過程叫做天擇。(天擇與新物種的產生(種化)則是一個複雜的問題,在此不討論)

達爾文的觀察與理論雖然引起不少爭議。但是漸漸的,許多證據都支持演化現象的存在。在解剖上,同樣是哺乳類的人類,蝙蝠與鯨魚,雖然分別是陸上跑的,天空飛的和水理游的;但是三者的前肢骨骼結構卻是如此相似。在胚胎發育上,幾乎所有動物的胚胎發育過程都會有原腸胚形成(gastrulation);甚至,分類學上差距甚遠的魚類與人類,在胚胎發育過程中都同樣有外露的鰓裂。另外,考古學則不斷出土許多古代生物的化石,證明了古老生物的存在。

除了以上這些描述性的證據之外,分子生物學也提出了證據支持演化學理論。

基因會產生突變,也會累積突變。基因突變若是有害的,下一代往往就會無法生存,或者在與其他個體競爭時成為弱勢。相反的,基因突變若是無害的,這樣的遺傳就會代代相傳;基因突變的結果若使個體在競爭中較容易取得優勢,則這樣的基因在代代相傳的過程中就會漸居上風。

想像一種情況,假設有一個 X 基因在由A代遺傳到B代的過程中產生了有利的突變;但是這個有利的突變不只一個,有些B代的個體得到的是 X’ 基因,而有一些個體則得到 x 基因。得到 X’ 基因的個體在往後的世代中和其他的個體產生了生殖隔離彼此無法交配產生具有生殖能力的後代),於是 X’ 慢慢形成了不同於 x 的物種。在這種情況之中,X 是共同祖先,而 X’x 則是後代。比如人與黑猩猩,在DNA的序列上,95%是相同的;因此可以推論人與黑猩猩在過去有共同的祖先。(分子演化學是一門複雜的學問,更多的細節無法在這裡詳談了。)

分子演化示意圖



以上想像的情況若為真,那麼,我們在某種生物身上找到的具有某種功能的基因,在另外一種相似的生物身上也可以找到。事實上的確如此。生物學家發現某些基因甚至可以在原始的線蟲,昆蟲果蠅,複雜的人類身上都可以找到。而某些基因則是植物或是動物獨有的。並且,基於分子演化的理論,若在A種生物上 Y 基因的功能是確定的;那麼,在B種生物身上所找到與Y基因序列相似的基因 Y’,則可以推論Y’與Y有相同或相近的功能。事實上,這種情況也確實存在。兩個不同物種的基因,若相似度在30%以上,這兩個基因往往就具有相同或相似的功能。

現代生物學是什麼呢?簡單的說,他是一門與物理,化學等其他科學一樣,他的研究是可以量化和質化,並且有可靠的模型對現象進行預測。而現在生物學的兩大支柱則是分子生物學和演化學。要了解現代生物學,請從這兩門學問下手囉!