生命是什麼?

我們生存的宇宙起源於一個大爆炸,宇宙到現在約一百五十億年,我們所認識的所謂生命似乎只出現在這藍色的地球上,今天我們談生命不談科幻外星,只談發生在這藍色星球上獨一無二的生命。地球上的生命到底怎麼出現的?科學家至今仍無確切掌握到生命究竟是如何產生的,只是有很多猜測而已。

生命究竟是什麼?字面上大家都了解,但要如何描述生命究竟是什麼東西?每個人可能有不同的看法。科學家常將繁複的現象或問題簡單化,以抓住地球上所有生命個體所共同具有的特徵。物理學家看到所有生命現象都具備兩個特點:

第一個是不論所談的生命是微小的細菌、微生物、昆蟲、植物、動物等,均具有高度組織的結構,如人的身體結構極端複雜,卻是很有組織的結構,這結構的出現是很奇特的,在物理學上有一個重要定律叫「熱力學第二定律」,它指出所有的事情一定是愈變愈亂,要回復原有秩序的狀態要作功,要花力氣加上能量才能變換。每個人的身體都是非常有秩序的,跟身體外的情況相比,身體仍是很有秩序的結構,這結構怎麼樣存在而不會愈變愈亂,這是物理學家一直想了解的一個生命特徵。

第二個特徵是所有生命個體都具有一個所謂遺傳的訊息,生物可一代傳一代,上一代的特徵可透過遺傳將所有的特徵傳到下一代,我們說「龍生龍,鳳生鳳」,在遺傳過程中每個人都很準確地將遺傳資訊傳給下一代,我們的下一代是依據父母賦予他的資訊來建構其身體,和父母亦很相近。這兩個問題是我們今天要了解生命是什麼時希望強調的。

一個生物和非生物間如何區別?凡是有生命的個體都能吸收和利用能量,所以要攝取食物,食物提供維持生命結構的能量,目的是結構的維持和更新。一個具有生命的活細胞需要無時無刻向外吸收能量,在細胞內部形成高度組織的結構,在吸取能量的同時也放出熱,所有的生命都沒有例外。熱放出去時會讓環境變得更亂,溫度會增加,環境變亂來維持我們生命內部的秩序,這是一個非常巧妙的一系列化學反應,每一個細胞都如同一個非常複雜的化學工廠,工廠目的即是把外界可利用的食物,經過此一網絡的處理,將食物中可利用的能量淬取出來,來維持身體細胞內部的結構,同時排出廢物。生命的維持即需不斷向外獲得食物的能量。此化學工廠非常複雜的處理步驟,每一步驟的實際操作,都需要蛋白質來執行。所以,蛋白質不僅構成身體的組織成份,還負責每一細胞自外界攝取食物後,如何將食物中有效能量淬取出來。每一個化學反應若沒有蛋白質參與,實際上是不可能發生的,蛋白質就在執行這非常複雜的能量淬取工作,是執行生命運作的一個主角。

那蛋白質是什麼?它是一個巨大的分子,由許多小單元結合組成,這小單元叫「胺基酸」,我們身體內大概有二十種不同的氨基酸,其依序排列可形成巨大的蛋白質分子,長鏈的分子,在細胞內會經過摺疊,形成一個具有特定三度空間的分子結構,這個分子結構就能執行體內食物的消化、能量的吸收和利用。例如我們吃進碳水化合物,它由醣分子組成,長鏈的碳水化合物身體無法吸收和利用,需要借重由胺基酸組成的蛋白質來切成小段醣類分子,再自其中取得可利用的能量。所以,蛋白質是真正在執行生命現象運作的主角,是特定的胺基酸序列所組成的巨大分子,但在細胞中,細胞怎麼知道要把哪些胺基酸排列結合在一起,以形成一個有功能的蛋白質?那我們就必須談到生命現象的另一特徵,那就是每一生命個體都具有的一個資訊處理系統。這個遺傳資訊決定我們體內蛋白質的結構與功能;另一方面,則在遺傳過程中,從上一代傳到下一代,這兩個過程其實是錯綜雜地結合在一起。

在一九五三年,英國劍橋大學的兩位教授發現了DNA的分子結構,在這之前我們已了解生物是透過DNA作為遺傳資訊的載體(carrier),即DNA攜帶著我們身體內所有的遺傳資訊,從上一代傳到下一代。若要了解DNA是如何儲存我們身體內的遺傳資訊,以及如何自上一代傳到下一代,就需先了解DNA的分子結構。DNA有所謂的雙螺旋結構,兩條長鏈DNA的分子中間有一些檢機配對,地球上所有的生物幾乎沒有例外,其遺傳資訊都是透過DNA的雙螺旋分子,而其遺傳資訊則是儲存於這兩條雙螺旋分子中間的檢機配對。這中間有一定的規律,兩組間一定是互相配對的(G和C配對;T和A配對),DNA分子利用如四字字母般儲存遺傳資訊,此檢機配對決定了DNA分子裡所儲存的遺傳訊息內容。在了解了DNA分子是透過這檢機配對來儲存遺傳資訊後,我們立刻可了解為什麼上一代的遺傳資訊可以很準確地傳到下一代。當遺傳資訊要從上一代傳到下一代時,DNA的分子就必須要複製,在複製過程中,此檢機配對的關係是很嚴格地被遵守。要複製時,兩條長鏈的DNA分子就會打開,每一條DNA分子都可以當作獨一無二的模版,依AT、GC的配對關係,可非常精確地將儲存於DNA中的遺傳資訊複製成兩套,這兩套複製出來的資訊和原來的則是完全一樣的。

DNA的結構解釋了遺傳資訊如何自上一代傳到下一代,另一方面,我們把DNA的檢機配對視作所謂的「遺傳資訊」,其內容是什麼?這和摩斯電碼或電腦碼其實非常類似。DNA分子利用四個字母A、T、G、C來儲存遺傳資訊,這和電腦內利用O、1兩碼,透過機器語言的轉換而決定意思的方式十分類似。DNA利用A、T、C、G所儲存的遺傳密碼所決定的胺基酸排列順序,來製造一個特定的蛋白質,以執行一個特定的生物功能。細胞本身猶如電腦硬體,所有遺傳資訊儲存於DNA兩條分子間的檢機配對,它是長鏈的,由四個遺傳密碼T、G、C、A所形成的一連串指令,儲存在細胞核的染色體內,這遺傳資訊就相當於電腦的軟體,當細胞碰到一個特殊的環境刺激時,細胞立即知道要從此軟體中去擷取一些應付現在環境挑戰的特定軟體出來,細胞就會依照從細胞核擷取的特定軟體,來製造一特定的蛋白質,以應對當前環境給予細胞的刺激。軟體本身是不會執行任何功能的,軟體一定要透過硬體的運作才能將軟體裡所寫的指令發揮出來,這和電腦亦十分類似。例如視窗兩千(windows 2000)不是一個軟體,而是一組軟體,當我們要放PowerPoint時,需把視窗兩千中的PowerPoint這個軟體抓出來,才能使機器運作,軟體本身的複製、維持、執行,都要靠此硬體。軟體可用許多不同方式來描述,其內容是用遺傳密碼寫出來的,生命現象運作過程當中,軟體由A、T、G、C四個遺傳密碼寫出來的,軟體儲存在細胞內之DNA分子,DNA分子即儲存於每一個細胞核的染色體內。

軟體決定了蛋白質,決定了細胞的特徵,我們可以另一個大家熟悉的名稱來描述此軟體,那就是「基因」,基因是什麼?我們可將基因想像成在細胞內指揮細胞去執行一個特定動作的一特定軟體。在人類細胞內所有軟體數遠比電腦複雜,在我們身體內約有三萬個基因或軟體儲存於細胞核的染色體內,當一個生命個體呈現在我們眼前時,每一細胞都具有非常複雜的結構,這結構之所以會形成或被製造出來,主要是受到軟體控制,或說遺傳資訊,或說基因。生命現象的運作不能只有硬體或軟體,單一種是不能運作的,硬軟體一定要配合起來,生命運作才能變得非常和諧。所以,生命運作的硬體最主要的就是特定蛋白質,用來執行細胞內的化學催化作用,形成我們身體細胞的組成和結構;軟體則儲存於核酸內,即DNA的分子內,用來儲藏和複製遺傳資訊,這資訊則是用來指揮和控制軟體的運作。

了解了這兩個生命基本面相之後,我們試著來看生命科學裡重要中心理論。中心理論說明了遺傳資訊如何在生命現象展現的過程中運作。所有遺傳資訊儲存於DNA內,這資訊必須複製,這資訊要釋放出來時,必須先釋放變成和DNA長得非常類似的RNA分子,然後細胞內製造蛋白機的機器再依照這RNA分子上的遺傳指令來把一些特定的胺基酸排列在一起,結合形成具有特定結構和功能的蛋白質。這件事說來簡單,但大家想想,我們人身體內有三萬個基因,即有三萬個軟體,三萬個小的軟體是由多少個遺傳密碼寫出來的呢?我們現知在人的基因組內大約是由三十億個遺傳密碼所寫出來。換句話說,從一個細胞分裂成兩個細胞,儲存在細胞內這個三十億個遺傳密碼就必須要複製一次,在複製(copy)三十億個密碼中會不會出錯?當然會出錯,若錯誤是不要緊的,那可以忽略不計,但錯誤若是很嚴重,就會影響這一個軟體它所指揮細胞製造蛋白質的結構和功能。

舉例而言,人體紅血球輸送氧氣的蛋白稱為「血紅素」,有特定胺基酸的排列順序,只要一個遺傳密碼於複製時發生錯誤,這一變異會使製造血紅蛋白的軟體指揮細胞所製造出的血紅蛋白差了一個胺基酸,一個胺基酸的差異可以是無關緊要,也可以非常嚴重,在此案例則是非常嚴重的,它會導致紅血球的形狀從正常的如甜甜圈般變成扁長型,這是個很嚴重的遺傳性疾病,在非洲黑人族群中特別流行,也就是所謂的「鐮刀性貧血」,這是致命的,但其差別僅在於一個遺傳密碼的變異,而使製造出的蛋白質有一個胺基酸的差異。遺傳密碼所組成的基因決定了生命現象的運作,而密碼本身的變異常會引起嚴重的後果。人的遺傳密碼有三十億個,你可以想像成三十億個英文字母,每個人身上都有一套由三十億個密碼所書寫的一本書,這書(軟體)決定了我們整個生命的運作,這生命之書猶如莎士比亞全集,你我有一些字不同,有的是無關緊要,也有可能是巨大的改變。例如DEAR在複製抄寫時,若寫成DEER,或許意思還可接受,但若寫成DEAD時,則形成重大改變。一個字母的差別,可以導致一個細胞從正常的結構功能變成一個非常特異的結構和功能,這是一個單一的細胞所攜帶的遺傳密碼基因發生改變的時侯,但當生物個體變得複雜度(complexity)增加時,這問題將隨之變得更為複雜。

每個人都是從一個受精卵開始。受精卵分裂,一個變兩個,兩個變四個…一直到完整個體的人出現。我們身上大概有十的十三次方到十的十四次方這麼多細胞,這些細胞都是從一個受精卵來的,我們想想看,一個受精卵成長、分裂、數目增加,如果這過程只是受精卵細胞數目不斷增加的話,會不會變成我們這樣的人?可能只是變成一大團的細胞,而不會變成我們這樣有臉、有鼻子,有特定結構的人。個人發育的過程當中,除了細胞的數目增加外,另一重要的胚胎發育過程會依次逐步展開,我們把這個步驟稱作「細胞的分化」。

換句話說,受精卵在生長分裂過程中,慢慢地有一些特定的細胞會開始得到其命運(acquire their fate),未來命運在胚胎發育當中將被決定,決定有些細胞變為神經,有些變為皮膚,有些變骨骼,此為細胞的分化。人有十的十三次方個細胞,約有三百種不同的細胞都是來自一個細胞,這個過程是極端的複雜,但令人驚異(amazing),好像不會出錯,表示其背後的控制(control)軟體是非常非常的精巧,而且非常的準確。基因或遺傳資訊這樣的軟體就是在控制從一個受精卵發育至成熟個體,並使此一成熟個體運作地非常和諧、完美。也就是說在細胞生長分裂,分化成各種不同功能的細胞,都是由一組非常複雜而精巧的軟體在控制,此軟體可以和我們所稱的「基因」劃上等號。身體內三萬多個基因依序自受精卵時即指揮整個人體自胚胎至成熟個體的發育和運作。

圖片作者: AZRainman 圖片來源: http://www.flickr.com/photos/azrainman/2047910540/