我在上一篇文章〈生物與非生物之間-生命是最精彩的推理小說〉 中提到,我在研究如何作出一隻恐龍,其實在科學上精確地來說,是研究恐龍如何演化成鳥類。而理論上,如何能研究出恐龍在遺傳上如何改變成為鳥類,就有可能把用遺傳的方法把鳥類變回恐龍。
就生物學的定義來說,鳥類其實應該要算是爬蟲動物。是的,所有鳥類的祖先都是恐龍,而且還是《侏羅紀公園》 (Jurassic Park )最猛的獸腳類迅猛龍。現生生物中,與鳥類的最近的親戚是鱷魚。可是鳥類為何和恐龍,甚至牠們的近親鱷魚長得完全不像,就是因為在鳥類這一支動物中,產生了有許多演化上的創新,例如羽毛、喙、翅膀、中空的骨骼、以及其他生理和解剖特徵,讓牠們能夠適應到許多不同的生態桋位。而在所有特徵之中,最最最獨特的,就是羽毛!
羽毛是鳥類身上最特殊的部分,它有微妙的構造、色彩與斑紋,關乎著鳥的各種行為與生存方式,從羽毛的特色,也能窺探鳥類特殊的行為與生活模式。羽毛也是鳥類種類辨識和擇偶的重要依據。變化極為繁複美麗的羽毛,都是母鳥美學品味的產物,因為母鳥都是一流的設計師,專挑出穿有獨特羽毛的公鳥來親熱。
羽毛在不同鳥類之間變異,存在性質不同的變化-顏色、斑紋、生長位置、長度、方向等等等。我們分辨一隻鳥時,往往就是在判斷鳥類身上各種羽毛重疊組合後的外觀。然而,羽毛本身就是大自然最美麗的產物,其精巧微妙的外型與構造,細緻而夢幻的色澤與質感,使得羽毛即使脫離鳥體後,還能獨立呈現出令人意想不到的細緻美感,甚至即使不知羽毛主人,也十足具有欣賞和收藏價值。
這本一流的圖鑑《鳥羽:台灣野鳥羽毛圖鑑》 就是一本集實用和藝術質賞價值於一身的好書。《鳥羽》 全書蒐藏了42科108種、近3000枚取自台灣野鳥身體各部位的羽毛,以實物大小呈現。優雅地帶我們遨遊美麗的羽毛世界。
羽毛一旦離開鳥的身體,在辨識上就有可能變得困難。然而若能經由本《鳥羽》 ,對羽毛結構,以及對各個鳥類家族的羽毛特徵、特殊鳥種的羽毛樣貌有更深入的瞭解,就能享受在野外撿拾鳥羽並且可能判斷出鳥種的樂趣了。就算沒有在路邊或野外撿拾到鳥羽,單單翻這本《鳥羽》 圖鑑,就能完整地欣賞到諸多種賞心悅目的美妙羽毛。
《鳥羽》 是曾經擔任台北鳥會野鳥救傷工作的祁偉廉醫師,廿多年來長期為鳥療傷治病,從不幸死亡的鳥類身上蒐集而來,這本《鳥羽》 不僅完整呈現台灣鳥羽的精彩面貌,也將此難得的收藏分享給我們欣賞。
我在中央研究院生物多樣性研究中心李文雄院士實驗室裡的研究工作之一,就是和美國南加州大學的鍾正明院士利用家雞研究羽毛多樣性的遺傳基礎,以及組成羽毛的角質蛋白質基因的表現、調控及演化。馴化的鳥類形態變化的重要性極高,事實上達爾文(Charles Darwin, 1809 – 1882)在他介紹天擇觀念的曠世巨著《物種起源》 (On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life )中的第一章,就是利用維多利亞時代盛行的家鴿形態多樣性為例,以人擇的力量演示天擇的潛力!而我們選擇的家雞是世界上種內羽毛形態變化最高的鳥類,加上基因體序列和遺傳工具的方便,讓我們有機會發現與羽毛形態差異相關的基因。
鍾正明院士和他父親一樣,都是台大醫科的校友。雖因家學淵源習醫,他卻未投身臨床,反而著迷於生命的奧秘,故赴美專攻基礎生物醫學, 1983年取得洛克斐勒大學博士,並留任該校分子生物系助教授,1987年轉赴美國南加州大學,展開獨立研究生涯;他用心鑽研鳥羽的「皮毛之道」,成為研究羽毛發育的世界權威,2008年當選中央研究院院士。
1978年,他到美國唸博士班,加入美國洛克斐勒大學教授艾德曼(Gerald Edelman)的分子發育生物學實驗室,研究細胞如何形成組織及器官,即形態發育(Morphogenesis)的過程。艾德曼研究免疫蛋白工作讓他在 1972 年榮獲諾貝爾醫學獎,他鼓勵鍾正明研究腦部細胞如何相互辨識,以及神經細胞如何聯結的機制。鍾院士成功找出神經黏著分子(N‐CAM)及其在神經發育所扮演的角色,順利取得博士學位。
鍾院士在製作雞胚切片時,他在螢光顯微鏡下觀察到黏附在他本欲研究的雞脊髓旁的羽毛。各種腦中表現的神經黏結分子在羽毛芽中也都表現,而且非如腦中糾成一團,而是排列成各種漂亮的花樣和形態,加上在回家的路上看到掉在路邊的漂亮羽毛,於是他決定以羽毛為研究模式。
鍾正明院士當初的羽毛研究,不僅充實了基礎科學知識,後來從研究羽毛幹細胞的工作,也讓他進入了再生醫學的領域。他有許多關於羽毛、毛髮、幹細胞的研究成果發表在頂尖的學術期刊如Nature 、Science 、PNAS 。鍾院士的研究內容和成果可以在台大校友雙月刊的這篇文章〈從皮毛之道到再生之道-鍾正明院士專訪〉 和中文版《科學人》(Scientific American )的這篇〈研究雞毛鴨喙的大師-鍾正明〉 讀到。
我們合作的最初的成果已發表在PLoS Genetics ,是以捲毛雞為材料,發現其主控基因是一種角質蛋白質的變異。該蛋白質在保守區域缺失了23個胺基酸,我們把讓基因釣出來後,在拔毛後的毛囊內利用反轉錄病毒把該突變基因表現在幹細胞內,讓重長的羽毛表現該突變基因,結果就確實讓羽毛給弄彎了。
非常有趣的是,我們發現的基因KRT75 ,和人類的鬚部假性毛囊炎(pseudofolliculitis barbae)有關。該遺傳病讓修剃胡鬚後,重長的毛的尖端穿透入囊壁內或卷曲于皮內所引起胡鬚部異物炎癥反應。這個和人類相關遺傳疾病的有趣關連,是我們當時始料未及的,這也是基礎研究深具潛力!
《生命是最精彩的推理小說:一個生物學家眼中的奇妙世界》 (生物と無生物のあいだ)是一本對生命科學研究(具體來說是對細胞分子生物學和生物化學)有興趣的高中生、大學生和研究生都適合閱讀的科普書。
在《生命是最精彩的推理小說》 裡,日本青山學院大學教授福岡伸一,用半自傳的方式同時勾勒出分子生物學研究和生命的分子現象,對生命科學的門外漢來說,可以吸收一些分子生物學的知識;對有心想要就讀生命科學(尤其是分子生物學)方面的高中生,可以稍微看看是否真的對分子生物學感興趣;對想要唸研究所的學生,可以稍微看看生命科學研究是怎麼一回事。
《生命是最精彩的推理小說》 的日文原文書名『生物と無生物のあいだ』是「生物與非生物之間」的意思。可能編輯跟我一樣看太多日本推理小說,就把書名改成《生命是最精彩的推理小說》 ,不過並不失原味,因為作者在《生命是最精彩的推理小說》 一書中,的確作了一些推理,他在大師如雲的美國洛克斐勒大學,對著野口英世(1876-1928)的塑像思考日本人和美國學術界對他的科學貢獻觀感的矛盾;然後從華生(James D. Watson,1928-)和克里克(Francis Crick,1916 – 2004)的DNA的雙重螺旋、物理學大師薛丁格(Erwin Schrödinger,1887-1961)的《生命是什麼》(What Is Life? )、舍恩海默(Rudolph Schoenheimer,1898 – 1941)的「動態的平衡狀態」來推理生命現象的分子本質;然後用在洛克斐勒大學及哈佛大學醫學院當博士後研究員的經歷,述說生命科學實驗室沒日沒夜的生活,還有用實驗推理GP2分子的功能之過程。
在提到華生和克里克的DNA的雙重螺旋時,福岡伸一從發現DNA是遺傳物質開始介紹,也老實地述說了當時華生和克里克為了贏得解DNA結構的競賽而耍的手段和爭議等,這些都部分記載在華生辛辣的自傳《雙螺旋─DNA結構發現者的青春告白》 (The Double Helix )之中。可惜克里克的自傳What Mad Pursuit 似乎沒有中譯本,更甭提威爾金斯(Maurice Wilkins,1916 – 2004)的The Third Man of the Double Helix 。
不過克里克和另一位故事人物羅莎琳‧富蘭克林(Rosalind Franklin,1920 – 1958 )倒是有中文版的傳記-《克里克:發現遺傳密碼那個人》 (Francis Crick: Discoverer of the Genetic Code )和《DNA光環背後的奇女子:羅莎琳‧法蘭克林的一生》 (Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA )。整個DNA、RNA和蛋白質糾纏的故事,也記載在巨著The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology 之中,這部分子生物學史的經典巨著有三大冊的中文版《創世第八天:二十世紀分子生物學革命首部曲 DNA》 、《創世第八天:二十世紀分子生物學革命二部曲 RNA》 、《創世第八天:二十世紀分子生物學革命三部曲 蛋白質》 ,是想要完整地瞭解分子生物學史不可或缺的好書。
福岡伸一舉了「動態的平衡狀態」為例,指出「我們吃進身體的分子,會在瞬間散布至全身,之後短暫停留在某處,接著又在一瞬間離開我們的身體。換言之,我們生命體的身體並非如塑膠模型般,由靜態的零件組成的分子機械,而是成立於零件本身的動態之中。」,他認為根據「動態平衡」論,能夠讓我們思考如何區分生物與非生物,以及我們生命觀的演變。從這個「動態平衡」中,也再次驗證了「諸行無常」,所有生命不過都是因緣暫時俱足聚合而生的。
在《生命是最精彩的推理小說》 後半部,福岡伸一介紹了他那幾年難辛的博士後研究員生涯,指出他在美國過的像是奴隸般的生活,還要面對競爭者的壓力。其實生命科學研究,尤其是競爭激烈的分子生物學和生物醫學,都很難避免要面對艱辛的研究環境,而像我們這樣還選擇投身而入的,無非只是為了尋求有重大發現時的感動,還有期待為人類作出實際的貢獻。
近幾十年來醫學上的許多重大突破,像是新藥的研發、新診斷或治療方法的發明和疾病成因的瞭解,都是建立在許許多多在實驗室沒日沒夜地辛勤工作的基礎科學研究人員的貢獻上的。生命科學家艱苦辛勞地在作出很大的付出和貢獻時,還要忍受社會大眾、政界和其他學界對我們的誤解,以為在做基礎研究無法對人類作出實際的貢獻。
可是實際舉例來說,今天對癌症的瞭解,絕大部分知識都是建立在研究大腸桿菌、酵母菌、果蠅、線蟲等不起眼小生物上乍看之下無聊的性狀的。如果沒人去研究果蠅遺傳和突變,還有酵母菌的細胞週期,以及線蟲的細胞自戕,可能就無法瞭解許多訊號傳遞的路徑和分子,就不能瞭解癌症的致病原因,也就不可能研發出所謂的標靶藥物。如果當初沒有人建立族群遺傳學和分子演化學的理論,我們今天面對一堆基因體序列也只能把它們完全當作有字天書,而無法解讀出人之所以為人的遺傳邏輯,更罔論從中發現和健康及疾病相關的資訊。
對機械、土木、化工、電機、資訊、材料等工程或應用科學而言,基礎研究不那麼重要,是因為物理和化學的知識已經差不多齊全了。可是對生物工程和生物科技來說,基礎研究至關緊要,因為只有從基礎研究中才能發現可能有用的機制和分子等。現在普通物理和普通化學的教科書十年不改版,影響也不會太大。可是普通生物學的教科書若是四五年不改版,就會一整個落後!我們對生命科學的瞭解,實在還真的非常非常的不夠。
《生命是最精彩的推理小說》 之中提到的,也只是我們對生命現象極為膚淺的理解而已。而且《生命是最精彩的推理小說》 也僅提到生命科學的一部分而已,因為生命科學還有同樣非常有趣的生態學、族群生物學和演化生物學,是更寬廣的角度來探討生命和生命之間還有生命與環境之間的精彩互動。對這些互動的探討,是瞭解我們之所以擁有書中提到的分子和分子機制,所不可或缺的!
讀了這本《生命是最精彩的推理小說》 ,也順便簡單說一下,當初我乍看之下很愚不可及地放棄唸台大醬料而去清華大學唸生命科學的經歷。到台灣唸醫科其實是家長師長朋友的期待,我也只是因為順便能接觸熱愛的生物學而姑且同意了。當時我只是在生物實驗課看到細胞分裂時,就感動到五體投地,細胞那麼精準地把染色體排成一列均分到兩個子細胞,是多麼地巧妙和精彩啊!
其實,我真的不是沾醬料的料,因為我是不必沾醬的蒙古火鍋...哦不...因為我其實無法死背硬記,可是沾醬料要硬背一堆人體解剖名詞。想當年修的神經科學總分一百廿分,有廿分是背腦神經名詞的送分題,我一分都沒拿到,不過剩下那一百分變態的申論題(例如如何用保鮮膜作出神經元等XD),我可以幾乎滿分。我只能用理解的方式記憶,背書只會要我的命。加上我對血液和動物解剖有莫名恐懼感。還有我個性極為內向害羞,與其面對病人,寧可在實驗室裡面對果蠅。這些沒人能夠勉強的,就算能勉強也不會有幸福的。
走這條路有沒有好結果,我自己現在也不知道。其實當初有幾位學長問我,是不是被桃麗羊騙去唸生命科學。事實上,我是被《侏羅紀公園》 (Jurassic Park )給騙來的,或許沒多少人能理解在馬來西亞小鎮的窮獨立中學唸著當時廿年前出版一整個過時的高中生物學課本,在看到《侏羅紀公園》 裡描繪的分子生物科技時的震撼!我對所有朋友說,我的夢想就是做出恐龍來咬當時嘲笑我的損友。很有趣的,大學、碩士班、博士班時在生命科學各領域(細胞生物學、神經科學、生物物理、發育生物學、遺傳學、演化生物學)繞了一圈後,我現在在中研院的工作之一就是要研究出,做出一隻恐龍需要什麼樣的遺傳變化。我真的沒有騙人和唬爛,不相信請看以下影片:
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