小生命

前言

　　我手上拿著一只圓盤形的透明盒子，望向窗外；舉目所見，生機盎然。院子地上鋪滿了牛毛草及三葉草；木槿樹的葉片張開，花朵盛放，以招攬陽光及蜜蜂。一隻橘色的貓潛伏在紫丁香樹叢下，仰望著毫無所覺的金翅雀。白鷺及海鷗在天上飛翔，鬼筆菌及傘菌則從地面突然冒了出來。上述這些東西都有個共同點，是巖石或河流、拖船或圖釘所沒有的，那就是：它們都有生命?！　∵@些活著的東西擁有生命這點，看來顯而易見，但活著到底代表什麼意義，卻不盡然容易瞭解。白鷺體內(nèi)的所有分子是如何運作而讓牠活著？這可是個好問題，如果你曉得目前科學(xué)家只解開了一小段白鷺DNA編碼的話，問題就更難回答了。至於地球上其他大多數(shù)生物，也同樣神祕難測。甚至對於我們自己，瞭解也有限?！　∪缃?，我們已經(jīng)讀取了整個人類的基因組，也就是組成智人（Homo sapiens）的處方：人類DNA上三十五億個鹼基對的排列。在這一大卷基因之書裡，科學(xué)家找到了大約一萬八千個基因，每個都攜帶了負(fù)責(zé)製造人體的蛋白質(zhì)編碼。只不過其中三分之一的基因是做什麼的，科學(xué)家還沒有頭緒；至於對其餘多數(shù)基因，也只有膚淺的瞭解。然而我們的無知，還不止於針對負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)編碼的基因而已；這些基因總加起來，只占人類基因組的百分之二，DNA其餘百分之九十八的部分，還都是鮮有人探索的蠻荒地帶?！　≡谡麄€地球上，只有少數(shù)一些物種不在上述說法之列。其中最大的例外，就活在我手中的塑膠盒裡。這個盒子又稱為培養(yǎng)皿，與我窗外所見的繽紛生命相比，看來死氣沉沉。幾粒小水珠附著在塑膠蓋子的底面，塑膠盒的底部是一層瓊脂（洋菜膠），那是用死去的藻類，加上糖以及其他物質(zhì)所形成的堅實、灰色膠狀體。瓊脂表面躺著一行淡金色的小點，有如點描的花飾；其中每一點都由數(shù)以百萬計的細(xì)菌組成?！　≡摼N在過去一世紀(jì)來，已被科學(xué)家研究得十分透徹；科學(xué)家對它的瞭解程度，幾乎勝過了地球上其他一切物種。我把該菌種當(dāng)成我的指南，一塊甲骨文，可以告訴我生物與無生命物質(zhì)之間的差別，以及掌管所有生物的法則，不管是細(xì)菌、白鷺，還是好奇的人類。我把培養(yǎng)皿翻過來，底下貼著一片膠帶，上頭寫著：「大腸桿菌K-12（P1品系）」?！　∥沂窃谠L問耶魯大學(xué)的奧斯朋紀(jì)念實驗室（Osborne Memorial Laboratories）時，獲得手上這個大腸桿菌（Escherichia coli）培養(yǎng)皿的。奧斯朋紀(jì)念實驗室位於耶魯大學(xué)校園裡一棟像堡壘的建築，其三樓的實驗室裡，擺滿了讓人掩鼻的培養(yǎng)箱及暗色的培養(yǎng)瓶。一位名叫莫瑞爾的研究生戴上紫色手套，把兩個培養(yǎng)皿放在實驗臺上；其中一個是消毒過無菌的，另一個則帶有長滿了大腸桿菌的混濁軟糊。她拿起一根前端彎成環(huán)狀、帶有塑膠把柄的鐵絲，放進點燃的本生燈火焰裡加熱；鐵絲給燒成橘色而發(fā)光。然後她把鐵絲從火燄移開，讓它冷卻之後，再把它伸入那層軟糊中。接著，她把乾淨(jìng)的培養(yǎng)皿打開，把鐵絲環(huán)上的一小塊糊狀物，在無菌的瓊脂上劃上幾道，然後轉(zhuǎn)個方向，再劃上幾道；如是三四回，好似簽名一般。塗抹完後，她把第二個培養(yǎng)皿的蓋子蓋上，並用膠帶封好?！　∷雅囵B(yǎng)皿交給我，並對我說：「你大概明天就可以看到有些菌落長出來了。再過幾天，它就會變得黏乎乎的了?！埂　「杏X上，莫瑞爾交給我的是塊點金石。我手上培養(yǎng)皿裡無生命的瓊脂，由於出現(xiàn)新的化學(xué)作用，而開始燃燒起來。舊的分子被打了開來，又給鑄成新的；培養(yǎng)皿裡空氣中的氧分子不見了，二氧化碳以及顆粒狀的水珠給製造了出來。生命也就在其中生了根。如果我的眼睛像顯微鏡一樣，我將看到莫瑞爾給我的幾百個大腸桿菌，在培養(yǎng)皿裡漫遊、進食以及生長。其中每一個長得都像一艘微型潛艇，外圍由脂肪及糖分子組成的外膜包覆著。它拖曳著每秒鐘轉(zhuǎn)個上百次、類似推進器的尾巴前進。內(nèi)部則裝了上千萬個分子，既合作又競爭地促成它的生長。等到長到一定長度，它就會乾淨(jìng)俐落地一分為二。它會一分再分，形成一個微型的王朝。等這些王朝長得夠大時，就形成肉眼可見的金黃色斑點。這些斑點總加起來，就顯現(xiàn)出活生生的莫瑞爾簽名軌跡?！　∪绻阒辉谑澄镏卸臼录男侣剤髮?dǎo)中，才看過大腸桿菌的名字，那麼我說用它來作為生命的指南，似乎是個奇怪的選擇。有些大腸桿菌品系確實具有致命性，但大多數(shù)是無害的。我的腸子裡就有數(shù)十億個大腸桿菌與我和平共存，你的腸子裡也有那麼多；幾乎地球上每個溫血動物體內(nèi)，都有那麼多的大腸桿菌。說了這麼多，整個地球上大約有十的二十次方那麼多數(shù)量的大腸桿菌。它們存活在河流、森林以及住家後院。同時，它們也活在數(shù)以千計的實驗室裡，在發(fā)酵的培養(yǎng)瓶裡得到滋養(yǎng)，以及給塗抹到培養(yǎng)皿上?！　亩兰o(jì)初，科學(xué)家就為了想要瞭解生命的本質(zhì)，而開始研究無害的大腸桿菌品系。其中有些人由於這樣的研究工作，在一九○○年代末期前往斯德哥爾摩領(lǐng)取了諾貝爾獎。往後幾代的科學(xué)家則對大腸桿菌的存在，做了更深入的探討，仔細(xì)研究了它所攜帶的四千個左右基因，也發(fā)現(xiàn)了更多生命的法則。我們在大腸桿菌身上開始認(rèn)清基因如何必須攜手合作，以維持存活，以及生命如何挑戰(zhàn)宇宙對於無秩序以及混沌的偏好。作為單細(xì)胞微生物，大腸桿菌看起來與複雜如人類的物種沒什麼共通點；只不過科學(xué)家不斷地在大腸桿菌的生命與我們的之間，發(fā)現(xiàn)越來越多的相似點。大腸桿菌也同我們一樣，必須與同種的其他成員共同生活，彼此合作、衝突與對話?！　〈送猓竽c桿菌也同我們一樣，是演化的產(chǎn)物。如今科學(xué)家可以藉由一個突變接著一個突變，來觀察演化中的大腸桿菌。在大腸桿菌身上，科學(xué)家可以看到與人類共享的遠(yuǎn)古歷史，包括細(xì)胞當(dāng)中複雜特徵的起源、所有現(xiàn)存生物的共祖，以及DNA出現(xiàn)之前的世界。大腸桿菌不只能告知我們自己的深遠(yuǎn)歷史，同時還能夠揭露人類目前最重要的一些特徵，從利他到死亡，是受到什麼樣的演化壓力而形塑出來的?！　∥覀兛梢越?jīng)由大腸桿菌看見生命的歷史，同時還能看見生命的未來。一九七○年代中，科學(xué)家首度嘗試改造生物，他們一開始選擇的就是大腸桿菌。今日，他們甚至以更極端的方式來操弄大腸桿菌，把我們稱為「生命」的界線不斷拉大。如今，遺傳工程師利用從大腸桿菌取得的知識，改造了玉米、豬以及魚?？赡懿挥枚嗑?，他們就會在人身上著手。這一切都是大腸桿菌帶的頭?！　∥野咽种械呐囵B(yǎng)皿拿起來，透過它的瓊脂薄紗向窗外望去，樹木及花朵依然可見。每個由大腸桿菌形成的金色簽名菌落，都反映了樹及花的影像。我可是透過了由大腸桿菌形成的鏡頭，來觀察生命。

內(nèi)容概要

　　我們靠它解開遺傳之謎，　　我們靠它解開演化之謎，　　我們甚至靠它創(chuàng)造基因工程?！　乃砩系玫降陌l(fā)現(xiàn)，同樣適用於大象?！　∷谴竽c桿菌，大眾眼中的恐怖微生物?！　@染食物的罪魁禍?zhǔn)祝亢θ松∩踔羻拭娜f惡毒菌？　　在大眾眼中，大腸桿菌是惡名昭彰的小東西，避之唯恐不及；然而對人有害的大腸桿菌種類並不多，致命的更只有少數(shù)幾種。自出生開始，人類腸道便已充滿大腸桿菌，不但對人無害，甚至可幫助我們分解養(yǎng)分、抵抗外敵?！　　堆莼阂粋€觀念的勝利》作者卡爾．齊默，與賈德．戴蒙齊名，被譽為是最棒的科普作家，二○○七年榮獲美國國家科學(xué)院科學(xué)傳播獎，是科普寫作的最高榮譽。他帶我們看見大腸桿菌豐富的生命歷程，發(fā)現(xiàn)這個簡單微小的生物竟有許多意料之外的複雜行為。它就像人一樣進食、成長、繁殖、老化、死亡，甚至還有性行為與社會行為?！　〈送猓竽c桿菌也為我們解開了遺傳、基因與演化的謎團；不但是生物學(xué)家百年來瞭解生命最有力的工具，更是人類改造生命的利器。它開啟了基因工程與生物科技，為人類製造出胰島素甚至生質(zhì)燃料?！　∵@是大腸桿菌的故事，也是生命本身的故事。我們可以經(jīng)由大腸桿菌看見生命的歷史，同時還能看見生命的未來。

作者簡介

　　卡爾．齊默（Carl Zimmer）　　傑出的美國科學(xué)工作者、科普作家，現(xiàn)居於紐約；曾擔(dān)任Discovery雜誌資深編輯，經(jīng)常為紐約時報、新聞週刊及National Geographic，Audubon，Science等知名科學(xué)雜誌撰稿，並在Natural History雜誌上闢有專門介紹演化的專欄，曾獲得2004年科學(xué)新聞報導(dǎo)獎、2007年美國國家科學(xué)院「科學(xué)傳播獎」等多項獎項；著有At the Water’s Edge（水之濱）、Parasite Rex（霸王寄生物）及Soul Made Flesh（道成肉身）等科普書籍。潘震澤　　臺灣大學(xué)動物系所畢業(yè)、美國密西根韋恩州立大學(xué)生理學(xué)博士，洛克斐勒大學(xué)、密西根州立大學(xué)、密西根大學(xué)等校研究，專長為神經(jīng)內(nèi)分泌學(xué)；曾任陽明大學(xué)生理研究所教授兼所長，並曾獲慶齡基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎、國科會傑出獎、特約獎等榮譽?，F(xiàn)任教於美國韋恩州立大學(xué)及奧克蘭大學(xué)?！　〗觋P(guān)心科普讀物譯介，譯有《人體生理學(xué)》、《天才的學(xué)徒》、《誰先來？》、《幹嘛要抽菸？》、《基因煉獄》、《為什麼斑馬不會得胃潰瘍》、《睡眠的迷人世界》、《基因組圖譜解密：當(dāng)代科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)》、《器官神話》、《生命的線索》、《DNA圖解小百科》等書，著有《科學(xué)讀書人》、《生活無處不科學(xué)》，並擔(dān)任《科學(xué)人》雜誌編譯委員?！堆莼阂粋€觀念的勝利》、中國時報2005年開卷年度十大好書獎（翻譯類）、2006年第三屆吳大猷科普著作獎（翻譯類金籤獎）

書籍目錄

導(dǎo)讀：從細(xì)菌看生命╱潘震澤第一章　簽名第二章　大腸桿菌與大象第三章　系統(tǒng)第四章　大腸桿菌觀察員的現(xiàn)場指南第五章　變動不斷第六章　死亡與善意第七章　藥房裡的達(dá)爾文第八章　開放來源第九章 羊皮紙卷第十章　扮演自然第十一章　數(shù)字等於一

章節(jié)摘錄

　　「瘋狂」的生物學(xué)家　　「二十世紀(jì)是物理學(xué)的世紀(jì)，二十一世紀(jì)則是生物醫(yī)學(xué)的?！惯@句話，想必很多人都聽過，甚至也講過，但不一定會問為什麼。長久以來，生物學(xué)以觀察記錄等定性活動為主，與可以用儀器定量、寫成公式運算，並進行實驗驗證的物理化學(xué)相比，屬於軟性科學(xué)，地位也差上一截?！　≡鴰缀螘r，生物學(xué)家也開始採用實驗方法，並藉由各種儀器之助，解開了許多生物構(gòu)造與運作方式的謎題。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，再怎麼複雜的生物，也是由幾種常見的元素，從原子、分子、細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)等一層層由簡入繁建構(gòu)而成。組成生物的化學(xué)分子，也都遵從已知的物理化學(xué)原理運作，與無生命世界並無差別。　　然而，具有生命的生物確實擁有一些無生命物質(zhì)所沒有的特性，像是生長、生殖、適應(yīng)以及死亡等，讓人難以捉摸。而腦力發(fā)達(dá)、凡事都想求解的人類，會想像出精氣、靈魂、生命力以及來生轉(zhuǎn)世等觀念，來解釋奧妙的生命，亦無足為奇；迷信、神話與宗教也因此出現(xiàn)，至今仍在人類社會扮演重要的角色?！　∩飳W(xué)研究雖然後來居上，成為當(dāng)代顯學(xué)，但生物學(xué)家針對生命本質(zhì)的探究，直接挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)宗教的看法，而與衛(wèi)教人士產(chǎn)生衝突。某個討論演化的英文網(wǎng)站，甚至出現(xiàn)如下反諷：「物理學(xué)家是好人，因為他們不會說什麼讓你不高興的事；玩弄基因的生物學(xué)家，則是把人類帶往地獄的瘋狂科學(xué)家?！埂　栴}是：生物學(xué)家對於生命的看法，與一般人相比究竟有什麼顯著的差異？這樣的差異又如何造成？這兩個問題的答案，都可以從本書取得。　　微生物的世界　　「真實的生命都在細(xì)微處發(fā)生」是個文學(xué)比喻，也是科學(xué)事實。自十七世紀(jì)顯微鏡發(fā)明後，一個肉眼不可見的新世界，在人的眼前展開：不單是各種形狀大小各異的動植物，都由無數(shù)個細(xì)胞組成，甚至在空氣、土壤、水中以及人體內(nèi)外，也有獨立的單細(xì)胞生物存在，其數(shù)量種類之多，更遠(yuǎn)超過人的想像?！　∥⑸锏氖澜?，從介於生命與無生命之間的病毒算起，涵蓋細(xì)菌、真菌以及動、植物在內(nèi)，也不限單細(xì)胞生物。早先，生物學(xué)家以細(xì)胞內(nèi)有無細(xì)胞核、粒線體等胞器為原則，將生物分成原核生物（prokaryotes）與真核生物（eukaryotes）兩大類；單細(xì)胞的細(xì)菌都屬於前者，多細(xì)胞的動植物及真菌（包括人類在內(nèi)）則屬於後者?！　≡缭谖⑸锏氖澜绫话l(fā)現(xiàn)之前，人類就已經(jīng)開始利用微生物了；無論是將果汁變成酒、酒變成醋，或是乳汁變成酸奶、乳脂變成乳酪等，都是微生物的作用。再者，許多傳染性惡疾，係由空氣及水中不可見的微小生物引起的想法，早在西元前一世紀(jì)就有人提出，但在沒有找出證據(jù)前，也只能歸入臆測之列。人類歷史上，不時出現(xiàn)奪命無數(shù)的瘟疫大流行；除了聽天由命，等疫情自然消退外，基本上人類是無計可施。　　時至今日，病原菌理論已深入人心，針對微生物引起的疾病，也有各種預(yù)防、控制以及治療措施可用。至於應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、製藥業(yè)以及工業(yè)的微生物，更是既多且廣。這一切進步，都要拜百餘年來的微生物學(xué)家所賜。二十世紀(jì)初科普作家狄克魯夫（Paul de Kruif）的名著《微生物獵人》（Microbe Hunters），介紹的就是這批人?！　渭?xì)胞微生物雖然簡單，卻也「麻雀雖小，五臟俱全」，舉凡生物的特徵，一樣不缺。再者，微生物容易培養(yǎng)，且繁殖迅速，因此成了研究生命本質(zhì)的最佳工具。早在一九二六年，荷蘭微生物學(xué)家克萊佛（Albert Kluyver）就說過：「從大象到丁酸菌，統(tǒng)統(tǒng)都一樣！」一九五四年，法國生物學(xué)家莫諾（Jacques Monod）更進一步引申：「對大腸桿菌來說是正確的發(fā)現(xiàn)，對大象也一樣?！埂　∈聦嵣?，克萊佛與莫諾在發(fā)出上述豪語時，分子生物學(xué)尚未萌芽，所以他倆並不真正曉得細(xì)菌與哺乳動物之間，到底有多相近。他們只是想說服旁人（以及給自己壯膽），研究肉眼不可見的細(xì)菌，也是條瞭解生命的合理進路。四分之三世紀(jì)後的今天，生物學(xué)家早已接受生命具有共同起源的觀念，如今則是讓更多人知曉這個祕密的時候了?！　〈竽c桿菌的世界　　本書的主角：大腸桿菌，是微生物世界裡最為人熟知的一員，也是生物學(xué)家使用最廣、瞭解最多的一種微生物。生物學(xué)家在大腸桿菌身上的一頁發(fā)現(xiàn)史，可說是分子生物學(xué)發(fā)展史的縮影，更相當(dāng)於生物科技的發(fā)展史。同時，大腸桿菌自身之複雜，以及與人類關(guān)係之密切，超過一般人最狂野的想像?！　∈紫龋竽c桿菌這個物種品系繁多，從對人類完全無害的K—12到可致人於死的O157:H7都在其列；甚至另列新種的志賀氏桿菌（Shigella）也與大腸桿菌系出同源，共享許多重要的基因，並可歸入大腸桿菌品系之一。至於大腸桿菌會有這麼多變異，乃是突變、基因橫向轉(zhuǎn)移，以及環(huán)境揀選下的產(chǎn)物；換言之，全屬演化之功?！　“菘焖俜敝持悖竽c桿菌成為研究微觀演化的最重要工具。在環(huán)境條件配合下，它每三十分鐘就可分裂一次。如果照這樣的增加速率持續(xù)下去，單一個大腸桿菌在三天內(nèi)就能長成相當(dāng)於地球質(zhì)量的菌落。當(dāng)然啦，環(huán)境中氧及養(yǎng)分的供應(yīng)不足，及其自身排泄廢物的堆積，在在限制了細(xì)菌的增殖，但這種假想實驗也可讓人有個概念：微生物世界的數(shù)量及變化程度，遠(yuǎn)非多細(xì)胞生物所能及其萬一?！　《嗄陙恚飳W(xué)家利用大腸桿菌的簡單與方便，解開了基因的結(jié)構(gòu)、編碼、開關(guān)以及線路等根本問題，並發(fā)現(xiàn)所有生物都使用相同的素材與原理。接著，生物學(xué)家利用在大腸桿菌當(dāng)中精鍊的重組D N A技術(shù)，開啟了以基因工程為主的生物科技時代。在大腸桿菌的環(huán)狀染色體上嵌入各式各樣的基因，利用大腸桿菌快速的生長與複製能力，也就能製造出大量的基因產(chǎn)物：蛋白質(zhì)；其中包括對人類有用的荷爾蒙、酵素以及藥物在內(nèi)。這些能賣大錢的分子，也模糊了學(xué)術(shù)與商業(yè)的分界，給「清高」的研究人員染上了銅臭?！　〗又?，大腸桿菌對於人類以及其他物種的基因組定序工作，也有間接貢獻(xiàn)：人造細(xì)菌染色體（bacterial artificial chromosome, BAC）的建立，有助於將任何的D N A片段增幅，以方便定序。如今，新一代的合成生物學(xué)家，則利用大腸桿菌為平臺，將好些來自不同生物以及具有不同功能的基因組合起來，形成線路，以執(zhí)行特定功能。甚至有人更進一步，試圖在人造的脂肪膜球內(nèi)，加入人造的染色體，以合成全新的生命。這樣的舉動，在相信生命是由上帝創(chuàng)造，因而神聖不可侵犯的信徒眼裡，自然是大逆不道，也才有「生物學(xué)家是瘋狂科學(xué)家」的反諷出現(xiàn)?！　〈竽c桿菌教給我們的　　生命源自單細(xì)胞生物的觀念，超越人的直覺與經(jīng)驗；然而生物學(xué)家針對大腸桿菌以及地球上各種生命形式的研究，發(fā)現(xiàn)所有生物都來自共同的祖先，經(jīng)過數(shù)十億年的演化分支，而形成如今龐大的生命之樹。尤有甚者，生命樹上不同分支的物種，還可能不斷有基因的橫向轉(zhuǎn)移，而形成網(wǎng)絡(luò)般的連結(jié)。　　因此，在生物學(xué)家眼裡，人也是演化的產(chǎn)物，而不是什麼獨一無二的創(chuàng)造；人類的基因組裡，充斥著與其他物種相同的基因，甚至包括細(xì)菌與病毒的基因在內(nèi)。人類的基因可輕易插入大腸桿菌染色體中，並進行複製；人體細(xì)胞也可以植入小鼠身上繁殖。在細(xì)胞的層面，人與大腸桿菌的差異有限，這可能是生物學(xué)家與一般人認(rèn)知上最大的不同點?！　≡娙苏f：「一沙一世界，一花一天堂?！刮覀儚拇竽c桿菌身上，又能看出什麼生命的本質(zhì)呢？其實，就算簡單如大腸桿菌，活著除了吃喝拉撒、繁殖子代外，也有不少「智慧」存在。靠著簡單幾種接受器以及由系列基因形成的線路，大腸桿菌可以預(yù)測環(huán)境的改變，想辦法趨吉避兇。為了個體與族群的存活，大腸桿菌可是既自私又互助、好競爭且合作，與人類社會無異。當(dāng)有外患存在時，少數(shù)大腸桿菌會製造大量毒素，並引爆自殺，以消滅敵人。當(dāng)環(huán)境惡劣時，眾多大腸桿菌會形成稱為「生物膜」的群體構(gòu)造，同舟共濟，以度過難關(guān)?！　∫虼?，從大腸桿菌身上，可以讓我們學(xué)會謙卑。人也是基因與環(huán)境的產(chǎn)物，而不是什麼不可侵犯的存在。唯一不同的，是人類文化的力量，將人提升至所有生物之上，因此也讓我們與生命的本質(zhì)產(chǎn)生距離，而難以看清。如果人類從大腸桿菌的研究中能看清此點，將是大腸桿菌帶給我們最重要的禮物了。

媒體關(guān)注與評論

　　「文字優(yōu)美，富有詩意。每一位受過良好教育的讀者，都應(yīng)該閱讀齊默對這個領(lǐng)域的精心探索?！埂　。冻霭嫒诉L刊》       「刺激、原創(chuàng)、說服力十足。」　?。缎驴茖W(xué)家》

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