解開生命之謎

發稿時間:2016/04/09
解開生命之謎
解開生命之謎
作者|吉姆.艾爾—卡利里、約翰喬伊.麥克法登
譯者|王志宏、吳育慧、吳育碩
出版社|三采文化
出版日期|2016/03/04

  原來知更鳥、海葵魚、生存在南極洲冰河底下的細菌、在侏羅紀時代的森林徘徊的恐龍、帝王蝴蝶、果蠅、植物和微生物,乃至於人類所擁有的許多美好且獨特的特性,都來自於一個事實:都根源於量子的世界。

文章節錄

《解開生命之謎:運用量子生物學,揭開生命起源與真相的前衛科學》

生命詭祕的笑

  在路易斯・卡羅(Lewis Carroll)的《愛麗絲夢遊仙境》裡,柴郡貓會突然消失,只留下牠露齒的笑容,這刺激愛麗絲注意到她「通常看到沒有笑容的貓,但從沒看過沒有貓的笑容」。很多生物學家感到類似的困惑,儘管他們已經知道熱力學怎麼在生物中運作,以及基因如何將形成細胞所需要的每一個步驟編碼,然而生命是什麼這個謎,仍舊對著他們露齒一笑。

  我們的問題在於,每個生命細胞裡的生化反應實在太複雜。化學家人工製造出胺基酸或是糖類,幾乎每次總是只能合成單一個產物。他們必須小心控制反應所需的實驗條件,像是不同成分之間的濃度和溫度,來讓目標合成物可以最有效率地進行。這任務並不容易,而且需要小心控制許多不同儀器內部的實驗條件,例如訂做的燒瓶、冷凝器、分離器、過濾裝置和其他精密的化學儀器。但是每個你身體內的生命細胞,卻可以在一個僅有幾百萬分之一微升(註:一微升的水,體積是一立方毫米。)液體的反應室裡,持續不斷合成成千上萬不同的生化物質。所有這種種反應如何同時進行?還有,在這微小的細胞裡要怎麼協調所有這些分子的行為?這些問題是系統生物學(system biology)這個新的科學所關注的,但是我們可以很公正地說,答案仍然是個謎。

  另一個生命的謎團是終有一死。化學反應的一個特點則是它們總是可逆的。我們可以寫下一個化學反應的方向:基質 → 產物。但是實際上逆向的反應:產物 → 基質,也是可以同時進行的。只不過在某一組定好的環境條件下,會導向其中一個方向。但是,總是有可能找到另外一組條件,讓逆向的化學反應發生。例如,化石燃料在空氣中燃燒,基質是碳和氧,而單一的產物是溫室氣體二氧化碳。一般認為這是不可逆的反應,但是某些型態的抓碳技術,正嘗試逆轉這個反應過程,藉著外加能量去驅動逆向反應。例如,伊利諾斯大學的瑞奇・馬賽爾(Rich Masel)已經創立了一個公司——二氧化物材料公司(Dioxide Materials),目標是利用電能將大氣層中的二氧化碳,轉變成汽車的燃料。

  生命卻不一樣。沒人發現過任何條件能讓反應方向變成:死細胞 → 活細胞。就是這個難題,讓我們的祖先提出靈魂這個想法。我們不再相信細胞擁有某種靈魂,但是當細胞或人死去時,究竟是什麼東西不可逆了?

  這時也許你會想到:那麼最近所公開的那些人造生物的科技又是什麼?這些科技的實踐者一定掌握了生命之謎的答案吧?最有名的人造生物實踐者應該是基因組序列的先驅克萊格・凡特(Craig Venter),他在2010年引發了科學風暴,他宣稱已經創造出「人造生命」。他的研究成果登上世界各地的頭條,而且點燃人對於逐漸增長的人造生物種族會占領地球的恐懼。但是凡特和他的研究小組所做的,只是去修改一個已經存在的生命的形式,而不是真的創造出新生命。他們的工作是先合成DNA,並將一種會造成山羊疾病的細菌病原體,稱為「絲狀支原體」(Mycoplasma mycoides)的整個基因碼編入DNA。然後將他們的合成DNA基因組注射到活著的細菌細胞中,並且非常巧妙地控制說服細胞去取代它原來的染色體。

  這個研究毋庸置疑是項技術上的精心傑作。細胞的染色體包含180萬個基因的字母,而所有的字母必須以精確的序列串在一起。但是本質上,這些科學家所做的是執行了轉化而已,那些轉化我們本來就可以毫不費力地做到,我們便轉化食物內的化學物質到我們的肉體。

  凡特和他的小組成功合成注射取代細菌自身的染色體,開啓了人工生物全新的領域,這部分我們在最後一章會再談。那可能提供了更有效率的方式,讓我們製造藥品、培育作物或是消滅汙染源。但在這些或是其他類似的實驗中,科學家並沒有創造新的生命。儘管我們有了凡特的成就,生命本質上還是很神祕,並且持續對著我們露齒一笑。諾貝爾物理學得主理察・費曼(Richard Feynman)堅信:「我做不出來的東西,表示我不懂它。」從這個角度來看,我們不懂生命,因為我們還不能製造它。我們可以混合生化物質,可以把它們加熱,可以用光照射它們,甚至可以像瑪麗・雪萊所描寫的科學怪人一樣,用電力賦予它們生命。但是我們唯一可以製造生命的方法,是將生化物質注入已有生命的細胞,或者是吃掉它們,讓它們變成我們身體的一部分。

  為什麼我們仍然不能履行一個幾百萬兆最低階細菌每秒都可以輕鬆完成的工作?這是一個著名的物理學家埃爾溫・薛丁格(Erwin Schrödinger),在七十多年前所思考的問題,而且他那令人吃驚的答案,便是這本書核心的內容。

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