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科學人雜誌(透視生命奧妙特刊+No.108 2冊合售)

內容簡介

內容簡介 【透視生命奧妙封面故事】透視生命奧妙了解基因與細胞運作、最新生物科技的22個必修學分專文導讀長庚大學生理科副教授 黃榮棋薛丁格的《生命是什麼？》一書在1944年問世，至今已過了67個年頭，這個問題依舊沒有令人滿意的答案，如同世人對生命的定義始終沒有共識一般。但若要找一個最接近生命定義的，代謝應是首選。由於代謝，生物體可以不違背熱力學第二定律，利用能量來建立生命所需的分子秩序。生命或許就是源自能量驅動的小分子化學反應網絡，最終發展出複製能力，並以達爾文演化機制來適應環境。果真如此，病毒這種無法獨立自營生活、必須仰賴其他生命才能代謝的個體，又該如何歸類？就這個問題而言，病毒與暫時停止代謝活動的休眠種子一樣，似乎超越世人的生命概念。無論如何，病毒攸關人類健康，並賦予人類與細菌共有的基因，在生物演化上扮演舉足輕重的角色，或許就像諾貝爾獎得主勞夫所言：「病毒就是病毒！」第一單元〈生命的根源〉，將引領你深思這些帶點哲學味道的問題。想更具體了解生命如何運作，第二單元〈細胞的奧秘〉會給你完全不同於以往的視野。生命的基本單位是細胞，同一個體的細胞都含有一樣的基因組。雖然如此，基因表現卻非一成不變，而是會受到調節。例如有一群特殊的基因，可以在生物處於逆境之時，協助防衛身體，增進個體的健康並延長壽命。研究證實，限制熱量的攝取可以活化這些基因，延長小鼠、大鼠與狗（甚至靈長類）的壽命。了解這些「長壽基因」的調控，人類長命百歲就不再是夢想。細胞也可以藉由所謂的自噬作用，利用細胞內的微小「自噬體」來清除廢物以及入侵的病毒和細菌。這種自噬作用似乎對神經細胞特別重要，像阿茲海默症與老化，就可能與腦神經元自噬功能的衰退有關。知道如何抑制或促進自噬作用，將有助於疾病的治療，甚至也一樣可以延緩老化。基因表現通常是透過特殊蛋白質結合到基因的調節區，來促進或抑制mRNA的轉錄。近10年來科學家卻在各種生物細胞，發現到一種類似糾察隊的「RNA干擾」（RNAi）系統，可在細胞出現有害的基因表現時，適時攔截該基因的mRNA。RNAi這種「消音」功能只會針對特定的mRNA，而不會影響其他基因的訊息。科學家若能找出誘導RNAi的方法，應該可用來抑制與癌症、病毒感染與其他疾病相關的基因表現。基因組雖攜帶製造蛋白質的訊息，但蛋白質才是細胞功能的執行者。一個個體中的細胞雖有著相同的基因組，卻因為表現出不同的蛋白質，而能執行不同功能，以符合生理之需。因此，若能明白特定細胞的蛋白組以及蛋白質之間的功能互動，就更能充份掌握這些細胞的特性。例如癌細胞表現的特定蛋白質，或可用來做為檢驗與治療的標的。但因為不同細胞會表現不同的蛋白質，而且一個基因還可以不同的剪輯方式製造多種蛋白質，蛋白組學遠比基因組學複雜困難得多。蛋白組學已廣泛應用在臨床醫學與生命科學研究，也創造了蛋白組學儀器與耗材的無限商機。可以預見，蛋白質當家的時代已經來臨，蛋白組學將繼續提供寶貴的生命科學知識。另外一些熱門而切身的話題，包括幹細胞與維生素D等，則在第三單元〈你我的生命科學議題〉中有所討論。幹細胞是一種未分化的細胞，具有分化成各種不同功能細胞的能力，因此可用來移植以修復組織與器官。幹細胞研究雖具爭議，尤其是利用胚胎幹細胞所引發的倫理道德議題，但依舊是目前許多無法醫治疾病的一線希望。流行病學與生理學證據指出，演化造就了人類膚色在地球上的分佈狀況，這是因為攸關生殖成就的葉酸與維生素D，都會受紫外光輻射影響的緣故。此外，維生素D還具有強大的抗癌作用，對免疫系統的調節也很重要。最近的證據指出，維生素D會與細胞核內的受體結合，並影響基因的表現，因此具有廣泛的作用：起碼會對全身12種不同的組織、調節1000種以上的基因。這或可說明現代文明生活下，日曬普遍不足所產生的諸多問題。生物科技的進展已經趕上科幻小說，可以讓狗兒「冬眠」一小時，並在甦醒後安然無恙。同樣技術若能成功應用在人體，不僅可以保護重傷患者，還可以延長移植器官的時效。結合遺傳工程學與光學來研究特定細胞類型的新領域：光學遺傳學，已讓神經科學家可以準確地描繪，甚至控制腦內的神經線路，這對於研究神經線路與功能有重大的貢獻。利用遺傳工程技術來改造細胞、重新組裝生命，可以協助製造化學成份和抗癌藥物，甚至處理核廢料與生化武器。隨著生物科技的進步，或許不久的將來，DNA定序科技的普及，讓你只要花上三萬元就可以快速取得個人的基因序列。第四單元〈生物科技最前線〉帶你搶鮮體驗未來可能的醫療科技！生命世界的多采多姿，在動物生理與行為上也充份展現，你絕不能錯過第五單元〈萬物皆靈〉。有些動物雖然智力不如人類，但是感官上卻有過「人」之處，例如昆蟲和鳥類能夠察覺到紫外光，而鯊魚有特殊的器官，能夠感知周遭的電場變化，這是超越五感之外的另一種感覺能力。為何有些動物特別聰明？大象、海豚、鸚鵡、烏鴉以及大猿等社會化的動物，似乎都能展現非凡的智能。但透過對紅毛猩猩的研究，「文化提升智能」這個理論或許最能解釋智能的演化。行為經濟學的研究指出，卡布欽猴、黑猩猩與人一樣，都會分享食物。這種共享的心理可是致力合作生活的靈長類特有的演化產物。這本《透視生命奧妙》特輯廣泛涵蓋了生命科學領域的眾多重要議題，諸如生命起源、細胞生物學、生物科技以及行為演化等，也收錄了病毒學與肢體再生等有趣題材。想一窺生命玄機的讀者，絕不會失望。【No.108封面故事】性之初脊椎動物的兩性交配行為從何時開始？泥盆紀的魚化石揭開了體內受精與胎生的演化奧秘。重點提要■科學家過去認為，脊椎動物的體內受精大約起源於3億5000萬年前，始祖包括鯊魚及其近親物種。■但是新發現的化石指出，經由交配受精以及將幼魚留在母魚體內直到成熟才出生的生殖方式，出現的時間早了數千萬年，而且發生於更原始的魚類。■這些發現重新詮釋了人類生殖器官與身體其他部位的起源。2005年的一個炎熱的8月天，我與團隊成員在一片牧草繁茂的牧地上四處找尋魚類化石，那是澳洲西北部心臟地區戈戈站（Gogo Station）一個廣闊的牧牛場。現在，這個乾旱的不毛之地難以讓水生生物生存，但是在大約3億7500萬年前的泥盆紀末期，戈戈地區被淺海覆蓋，是熱帶珊瑚礁的大本營，大量的海洋生物悠遊其間，包括原始魚類。歷經悠長歲月，許多原始魚類的遺骸保存至今，它們藏身於壘球大小的石灰岩球中，窩在低矮多刺的濱刺麥灌木叢以及昏昏欲睡的南棘蛇之間。石灰岩球是當地頁岩經億萬年侵蝕後的產物，當中有些藏有生活在古老珊瑚礁的原始魚類化石，因此在陸地上搜尋這些魚的過程中，我們花了很多時間一個個敲開這些石灰岩球，希望能在裡面找到寶藏。在戈戈地區的珊瑚礁岩中，最常見的魚是一種披著盔甲的生物，稱為盾皮魚（placoderm），牠們是最早具有下顎的脊椎動物。盾皮魚現在雖已不復存在，卻曾在地球上生存了近7000萬年，是當時最成功的脊椎動物。牠們與其他脊椎動物之間的關係，一直是科學家爭論的課題，而我們前往戈戈尋找標本，希望能藉此解答這個問題以及其他有關魚類演化的問題。在這個特殊的日子，努力終於獲得回報，我們找到了帶有一個相當完整的魚類化石的石灰岩球。不過，它的解剖構造並沒有特別震撼我之處，只成了另一枚等著被放進貨車、帶回實驗室，再將它從石灰岩墓穴裡取出的盾皮魚化石。當時我並不知道，這個看似普通的發現，將扭轉科學家對於脊椎動物生物學非常私密的性交行為的起源，以及體內受精的看法。科學家過去認為，體內受精並在母親體內孕育下一代直到出生，形成了一種特殊的生殖模式，最早出現在鯊魚及其近親（一群稱為軟骨魚的生物）身上，年代大約是3億5000萬年前，也就是軟骨魚第一個物種演化出來後的7000萬年。在此之前，魚類的生殖方式僅限於產卵，這顯然是一種冷淡的關係，雌魚將卵產入水中，雄魚再讓卵受精，在開放水域中發育成胚胎。但我們最近分析了這個發現於2005年的魚類化石，以及其他在戈戈與別的地區所發現的盾皮魚，結果顯示，脊椎動物出現交配行為與胎生的時間，比過去認為的還早了幾千萬年，而且在更原始的脊椎動物身上就已出現，而不是到軟骨魚才有。某種重要性狀演化出來的時間竟比過去所想的還早，這個發現很難不讓人感到驚訝，但它的意義不僅止於令人驚訝而已。事實證明，盾皮魚是四足動物的遠祖（包括人類）。從這些古老盾皮魚的性器官，我們看到了人類生殖系統與身體其他部位最早的雛形，並更清楚了解其解剖構造如何隨著時間而演變為現在的模樣。盾皮魚成對的腹鰭讓雄魚能將精子放進雌魚體內，最後演變成四足動物的生殖器及雙腿。而下顎的演化，最初可能是用來幫助雄魚在交配過程中咬住雌魚並固定，到後來才開始具備咀嚼食物的功能。看起來，「性」確實改變了一切。挖到化石寶藏戈戈化石以保存良好聞名，大多數魚類化石經常有被壓扁的情況，而戈戈地區出土的魚類化石卻通常能展現原始的三維形體，但要使骨骼完全露出是相當費時的工作，我們必須仔細用稀釋的醋（醋酸）來溶解包圍著化石的石灰岩，使骨骼不受傷害。一直到2007年11月，我們才差不多清理好這枚在兩年前那個炎熱的8月天所發現的標本。根據它強壯的下顎骨及專為粉碎食物而生的牙齒，我和當時的同事、現於澳洲科廷大學的崔那斯蒂克（Kate Trinajstic）認為，這枚鯖魚大小的化石，是盾皮魚中褶齒魚科（ptyctodontid）的一員。這個發現的本身就是個好消息，因為人們對褶齒魚的了解很少，而我們的標本看起來可能是一個新的物種。但這發現後來卻越來越有趣。隨著越來越多的石灰岩被清除，我在化石尾巴的根部發現了一些不尋常的構造，透過顯微鏡仔細檢查，我看到一些精巧的小型下顎，旁邊散佈著一些其他的小骨骼。然後，我恍然大悟，終於親身體驗那種「挖到寶」的微妙感覺，夠幸運的科學家終其一生可能僅此一次。通常，我會認為這些是這條魚最後一餐的殘渣，但這些微小的下顎，形態特徵與大魚完全一樣，而且完好無缺，部份骨骼仍連接在一起，所有的跡象都證明，這些微小的骨骼來自發育中的胚胎，而不是魚的食物。此外，我還能看到一個扭曲的結構纏繞著這些小骨骼，利用掃描式電子顯微鏡，我們很快便確認那是一個礦化的臍帶，可能曾經從卵黃囊提供營養物質給胚胎。這個案例明確指出：我們已經找到了一隻3億7500萬年前的懷孕母魚，是最古老的脊椎動物胚胎化石記錄。我們將這隻新發現的魚命名為Materpiscis attenboroughi，意思是「艾登堡母魚」，以紀念偉大的英國自然節目主持人艾登堡（David Attenborough），他在1979年透過紀錄片「地球上的生命」（Life on Earth）將戈戈化石遺址引介給全世界。艾登堡母魚解開了長期以來有關褶齒魚的奧秘。早在1930年代晚期，英國解剖學家華森（D.M.S. Watson）便觀察到，有一種來自蘇格蘭的雄性褶齒魚化石，具有伸長的軟骨突出，從支撐腹鰭的堅硬骨帶延伸而出。在活體身上，這些突出應該包覆在肉及皮膚內，形成類似於現存雄性軟骨魚類的兩個交尾器（clasper）構造，能在交配時插入雌魚體內進行授精。但這種蘇格蘭褶齒魚的交尾器卻被骨板覆蓋，顯得僵硬而笨拙。此外，雖然所有軟骨魚類的交尾器都被鱗片般的鉤狀物覆蓋，以便在交配時能固定交尾器，但這種褶齒魚的交尾器卻突兀到似乎只會妨礙交配，根本幫不上忙。

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產品目錄 【透視生命奧妙目錄】導 讀就算無法定義生命，也不減探索的樂趣！撰文∕黃榮棋第一單元 生命的根源尋找生命的起源生命起源比你想的更簡單病毒不是活的嗎？第二單元 細胞的奧秘啟動長壽基因偽基因真有用緘默突變的代價RNAi：神秘的基因糾察隊細胞如何大掃除 第三單元 你我的生命科學議題幹細胞的挑戰 來自陽光的維生素 膚色深淺，大有關係 人類斷肢也能再生？第四單元 生物科技最前線組裝生命 1000美金，解開你的基因 蛋白質當家 暫時停止生命 用雷射遙控果蠅 第五單元 萬物皆靈鯊魚的第六感 鳥兒眼中的彩色世界 動物也會做生意 為何有些動物特別聰明？ 中英名詞對照【No.108目錄】演 化24 性之初文∕隆格（John A. Long）生命科學30 魚兒性事多采多姿文∕嚴宏洋物理學36 幾何萬有理論文?利西（A. Garrett Lisi）、威瑟羅（James Owen Weatherall）45 什麼是李群？文?翁秉仁48 E8為何還引不起迴響？文?高涌泉醫 學50 迷幻藥也有療效文∕格里菲斯（Roland R. Griffiths）、葛洛普（Charles S. Grob）太空科技54 第三類接觸??然後呢？文∕佛爾吉（Tim Folger）科學人看科學人66 掀起藍色革命浪潮—鮑利文?李名揚減少廢棄物並不是保護地球最好的策略，應該效法大自然，將廢棄物變成另一種生物的養份，這樣還能使環保行動變得具有商業利益。學經濟和企管的鮑利，如何建立自己的科學素養，並累積足夠的經驗，提出這種「藍色革命」？流行病學74 流感監測罩門—豬文∕布蘭斯威爾（Helen Branswell）神經科學80 100兆個連結文∕齊默（Carl Zimmer）科技創新86 蠶絲的醫療妙用文∕歐曼尼托（Fiorenzo Omenetto）、卡普藍（David Kaplan）生物科技88 蠶的科學文∕李名揚人物專訪92 新能源創投家柯斯拉採訪∕菲謝蒂（Mark Fischetti）機器人學98 蟲機合體文∕馬哈畢茲（Michel M. Maharbiz）、佐藤隆（Hirotaka Sato）公共衛生104 輻射香菸釙可告人的真相文∕芮哥（Brianna Rego）【專欄】4 科學人觀點 曾志朗真情或假意？天不知，地不知，腦知！20 形上集 高涌泉左與右（四）21 不可勝數 李國偉焦點透視看敦煌22 上下古今人間世 趙丰地震！把地球震歪了？110 專家看新聞 維克特新興國家減碳之力111 健康與科學 葛林伍德治療感冒真的好嗎？113 資訊世界 波哥別擔心有人監看你114 真真假假 薛莫對與錯的科學115 反重力思考 米爾斯基熱血青年的創意發明【單元】8 總編輯的話10 讀者論壇科學人新聞 11 科學人新聞 11 惰性微中子即將現身科學人新聞 12 科學指數科學人新聞 12 捐一塊腦，省一分錢科學人新聞 13 腫瘤你幾歲了？科學人新聞 14 動物的算數能力科學人新聞 14 混沌中的秩序科學人新聞 15 長頸鹿會游泳嗎？科學人新聞 16 真空烹調法的原理科學人新聞 16 遙控擊碎玻璃科學人新聞 17 長續航力綠能車之母科學人新聞 18 為什麼要睡覺？科學人新聞 18 諾貝爾鐘聲再度響起科學人新聞 19 什麼是好的兒童電視節目？116 生物手記愛泡湯的「哈比蛙」——日本溪樹蛙118 圖表會說話戀愛中的大腦上午

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