October 29,2007

【臍帶血】新知分享

「 發現」遠哲 科學文教基金會 第 86 期 作者張南驥

學是人所創造出的最基本科學語言。唯有當數學進步之後才會促進物理、化學之發展。也只有當兩者均有更高層次的研發才能帶動出各種工程學。備齊了這全備的理工能力後,人們才可能有辦法去了解生命現象。但是「生命現象」比物理、化學現象更為有趣,是在於它雖然極其複雜,卻是一個「有次序」、「講目的」、「需能量」、「求速率」、「會調適」、「喜變化」、「能成長」但又「重週期」且「非人手」所能主導之美麗創作品。故此人類雖然存在已達千萬年之久,但對自身生命奧秘的具體了解,也才不過是近百年的事。回觀生命科學的發展,從最初的「大體解剖學」進而因顯微鏡之發明而進入了「組織學」、「細胞學」,爾後又因化學的進展而衍生出「生化學」最後進步到「分子生物學」。今者,長久累積的知識顯示,複雜的生命現象全都由「細胞核」來控制,而核中原版的設計藍圖- DNA其實是一種暗藏創意的密碼、一種特殊的「生命語言」。雖然僅由 A T G C 四種不同的核?酸基所譜成,但因其長短及序列變化多端,故成為生命表徵的「最終發話者」。就像數學或一般語文一樣,有固定、不能改變的符號、單字與片語,卻又可以組成極富變化的公式、句子和文章。如果文學巨著的出版及流傳是文豪實力的最佳詮釋,那生命語言( word ,道)所表現出生命實體( flesh ,肉身)之華美也在在印證了造物者的精美創意。
 
生命的永恆性-不但可以代代相傳,而且是下代比上代強
  幹細胞之源就是精,卵結合後的受精卵。故此,只要有此單一的原胚幹細胞就可以享有幾近無限「分裂」之能力,去增生成億兆細胞,且利用其無盡「分化」之潛力去造出不同形態的組織及器官,來造就一個獨特的生物體。而此生物個體又可以擁有經由其中一個細胞,經過無性或有性生殖方式去產生源源不絕的下一代,這種偉大的生命力是如何維繫的?是胚幹細胞的最大奧秘。難道生命力不會衰竭嗎?常常問自己一個問題是:若每一個人都有一定的年歲好活,那麼整個人類族群是否也會有一定的年限?當整個族群愈活愈老化後,是否就會面對終結而整體從世界上消失了。年歲稍長後的我,因為對生命有了更深的體驗,便頓悟出「生命非但是永恆的,而且是代代相傳,愈來愈豐盛的。」而人類整體的命運不但不會滅亡, ( 若沒有天災 ) ,應該是會愈活愈久遠而且愈興旺。每每看見孩子及學生的成長與表現,就知道我們的下一代一定會比上一代更優秀,更傑出。難怪,俗語說得好「青雖出於藍,必勝於藍」。試問清朝的人如何地「異想天開」,也料不到百年後的子孫們會創造出一只小小的大哥大,隨便撥上十個鍵,便可以與千里外的人通話,而全世界上的人也可靠網路與天線,便可以在各地同時觀看同一場球賽與同玩一種電玩,彼此叫陣。

  為什麼生命可以活得更豐盛?答案好像全在乎細胞核,原來化學家早年就發現「分子」間的位能改變,如固體變液體,液體變氣體就會造就蒸氣機,帶動火車頭,開啟了工業大革命,改造了社會的結構與生活方式。後來「電子」位能的移轉所產生的能量變化也更近一步造就了有機化學,讓全世界塑膠化。今者原子「核」能的發現與應用,不但強迫社會進入核能世代,連戰爭型態及勝負都可能因分秒之差而定江山。故此,「細胞核」的發現遠比發現「原子核」更具爆發力,一定會在廿一世紀帶領人類進入另一個「生物能」的新境界。

  核爆有兩種類型,一為原子彈,源於核分裂 (Nuclear Fission) 而另一為氫彈 (Hydrogen bomb) 一源自於核熔合 (Nuclear Fusion) ,前者威力小,易汙染,而後者威力大且有加成效果,是一加一大於二,且無污染。利用這個觀念反觀細胞核的變化就很容易了解為何選擇兩性生殖 ( 精核+卵核相熔合 ) 而非無性生殖 ( 單核的持續分裂 (Fission) ,來作高等生物的生育方法。其原因就在於每次精卵相合之後,生命的氫彈爆發便使得下一代比上一代 ( 雙親 ) 更強更好。試想精卵相熔合後,若分裂成兩個細胞且分別著床便可產出兩個完整的同卵雙生子,如分裂成四個細胞則可以生出三胞胎,豈不是一加一大於二等於三,多加了一個新生命嗎?生命力是不是倍增了?另舉一例是羊,因為吾人發現羊的精卵相結合後會產生出同卵的六胞胎,那豈不是三倍增生?故此,吾人稱四到八個細胞的早期胚胎細胞是所謂「全能的」 (Totipotent) ,因為每一個細胞都可以發育成一個完整的健康生物體。由此再分裂所產生的子細胞,就只能稱作是萬能細胞 (Pluripotent) ,只可作萬件事,但單一細胞卻不再能發育成一個完整的個體。以此類推,則萬能之下更下遊分化出來的細胞則因愈來愈分化,便只能稱作是多能 (Multipotent) 細胞,只可作千能,百能,十能 …… 一能的事,最佳例子是紅血球,因其是位於分化的尾端細胞,就只能作血紅素,來運送氧氣,又因為連核都丟棄了 ( 為了變小,可通過微血管 ) ,所以沒有本錢再分裂增殖,只好活完此生 (120 天 ) 便死亡後被分解了。

   為什麼精卵結合會有更新的活力?這個答案就在於其各自的製造過程中,生殖腺的細胞經歷與一般細胞不同的減數分裂 (Meiosis) ,其間的奧祕就是核內同源的染色體會配對排列,故此可利用這次機會使得彼此成對的染色體有機會藉由「對照」來進行「修補」及「交換」,使其因 「自我更新」 (Self-renewal) 而重振旗鼓(重生)。我常比喻為人在出門前,若非照鏡子,誰能自我檢視、自我更新後再出發?君不見,小學生晨檢排隊因沒鏡子,老師便要小朋友向左向右轉,彼此檢查對方,幫助別人整容再復原,細胞核內的染色體,也藉由減數分裂讓同源的染色體成雙配對地互相照鏡子,故能彼此自我再更新。精子藉著這種方式變得「鮮」活,準備出門遠航去找卵子女友了 ! 而卵子的成熟過程更加奇妙,她不但因藉減數分裂達到自我更新的目的,而且因為分裂過程中一個一倍體体 (1N) 的卵核會剔除另外三個核使之去核化 (exnucleation) 而變成極體 (Polar body) ,逐出家門 ( 細胞質 ) ,此一「四合一」的胞質,正可喻為集四份嫁妝於一身的大家閨秀,等著新郎,共組一豐盛的家庭。難怪生命力只有藉著兩性生殖,將祖產加新得,一代一代地傳下去。原則是「凡有的,還要再加給他」「得生命且得的更豐盛」,因有自我更新,兩造相加成的傳宗接代方法。最近複製羊,複製牛能成功的祕訣,也是為此。試想一個老化的核若能被重新放置於這麼一個「四合一,更新過」的去核 ( 未受精 ) 的卵細胞中,重新恢復的效果就是生命再造,重新來過。好一個「凡勞苦擔重擔的,可到我這裡來得生命」。只是若此一恢復不能超越至先前的四細胞的階段,因未能完全回返至「全能」期,故此產生出不甚完全的「畜寶」,不久便會死亡。若能採用較早期未分化過度之胞核,利用此一核轉移技術一定可以完整地複製生物, ( 完全重生的例子 ) 。這種「都」變新的再造功能也只有將舊核轉移到新卵裡才能經歷重生再造之新生命。不過談到複製,其實複製並非難事,因為「創」製才是最難的事,而基因 (gene) 一字其字源所代表的:一是 Generating ( 創造 ) ,一是 Generation ( 世代 ) ,故唯有創出的基因才能負責世代交替 (Generation) ,成為遺傳物質。在這個崇尚基因的世代中,世人更能因為了解生命之語言 (Word-Book of Life) ,而更體認到生命的「永恆性」可藉著擁有更好的下代而變得更豐富更有盼望,那是多麼令人興奮的事。



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