推薦序

生命中美好的動態平衡

清華大學生命科學系助理教授黃貞祥

生命現象究竟是怎麼一回事呢？

在《生物與非生物之間》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。

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《生物與非生物之間》後半部，福岡伸一介紹了他那幾年艱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辛勤工作的基礎科學研究人員的貢獻上。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。

《生物與非生物之間》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《生物與非生物之間》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，是從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！

9 什麼是動態平衡

沙灘上的城堡

遠方沙灘呈平緩的弓形向兩側延伸。強風從海面上吹來，海天一色。總覺得，在海面與陸地銜接之處，存在著某些能解開生命之謎的碎片。因此我們的夢想也經常在這裡迴盪。

就在波浪湧來，然後又退去的位置，有一座構造非常細緻的沙堡。有時波浪會湧至沙堡腳下，帶走一些沙粒。吹來的海風也會不斷的削去沙堡表面的乾燥沙粒。但奇妙的是，雖然時間一分一秒過去，沙堡的外觀卻始終不變，保持著原來的形狀。不，正確的說，是看起來沒有改變。

沙堡能保持著原來形狀，有它的原因。肉眼無法看見的海中小精靈，一刻都不停歇的在被侵蝕的壁面上堆起新的沙，填補凹洞、修整崩塌的部分。不僅如此。海中精靈有時更會在波浪和強風到來之前，對於可能遭到破壞的地方，先一步毀損，加以修復和補強。因此即使經過數小時，沙堡仍能保持原來的外形。或許過了幾天之後沙堡仍能存在。

但有一件很重要的事。現在沙堡內部已經完全沒有數天前建造時的沙粒了。原來堆砌起來的沙粒都已被波浪和強風帶回到海中或陸地，目前看到的沙堡，是新堆砌起來的。也就是說，沙粒已全部換新，而且沙粒的流動現在仍在持續中。雖然如此，沙堡確實存在著。換言之，這裡不是固定不動的沙城，而是某種動態的東西，由流動的沙粒所製造出來的「效果」。

甚至連不斷分解、重建沙堡的海中精靈，也沒有注意到此狀況，而且它們也是由沙粒形成的。在每一個瞬間，有些精靈返回沙粒，有些則從沙粒中成為精靈。它們不是沙堡的守衛者，而是沙堡的一部分。

當然，這只是比喻。不過，如果將沙粒視作在自然界中循環的氫、二氧化碳、氧、氮等主要元素，將精靈視為主宰生物體反應的酶或基質，那麼沙粒堆砌而成的沙堡就有了生命。生命並非主要元素集合而成，而是元素流動帶來的效果。

我們發現這種單純卻又具轉換性之生命觀的真正意義，是距今不久前的事。當然，這裡以「我們」稱之並不公平。精密實驗此一事實，以微觀思維來證明宏觀現象的人，是美國生物學家舍恩海默，當時為一九三○年代後期。可知，我們接觸新的生命觀至今不過七十餘年，而且目前還無法完全理解他所闡述的意義，甚至我們已經遺忘他的名字和成就。

舍恩海默的構想

打向沙灘的海浪，偶爾會運來粉紅色的珊瑚粒子。海中的精靈並未區分沙粒與珊瑚粒子，也會使用珊瑚粒子來修補沙堡。被侵蝕的壁面、凹洞和崩塌的部分等，都可能用珊瑚粒子取代沙粒來填補。於是，我們可以看到什麼？

沙堡就像大麥町犬一般，到處有珊瑚色的小點嵌在沙中，形成斑點花樣。但是這時我們應該凝視的不是它的花樣，而是花樣流動的狀態與速度。

剛運來珊瑚粒子的精靈們，這次則像平常一樣，隨著海浪運來普通的沙粒。他們默默的持續著自己的工作，將沙粒填補在被侵蝕的壁面、凹洞和崩塌的地方。於是，珊瑚粒子形成的粉紅色斑點會停留一段時間，不久之後再由後來的沙粒取代。換言之，珊瑚所浮現的花樣會流失，並非固定成為沙堡的一部分。

這不僅限於珊瑚粒子，所有的沙粒也都是如此。沙粒在某一瞬間成為沙堡的一部分，在下一瞬間又離開沙堡而去，將原來的位置讓給後來的沙粒。珊瑚粒子則像是滴在清澈溪流中的墨水，使我們能觀察到溪水的流動和流速。

在舍恩海默眼中，粉紅色的珊瑚粒子就是同位素。在他開始研究之前，已經知道氫、二氧化碳、氧、氮等主要元素都有同位素存在，實際上，它們都可以用人工方式製造出來。

氮是原子序號的元素。普通的氮原子，原子核中有七個質子，而且同樣含有七個中子，它的重量（質量數）就是質子與中子的和，亦即以14來表示。但是存在於自然界中的大量氮原子中，有極少數變種存在，它的原子核中有七個質子和八個中子。結果，這種變種的氮，質量數成為15，稱為重氮，它的化學性質雖然仍為氮，但重量稍重。使用質譜分析儀可以區分普通的氮（氮

14）和重氮（氮15）。

舍恩海默將此重氮當作珊瑚粒子，亦即作為標識用的追蹤器，使用在生物實驗上，成為革命性的構想。

所有構成蛋白質的胺基酸中都含有氮。一旦進食之後，食物的胺基酸就會與體內的胺基酸混合而無法追蹤。但若將重氮當作胺基酸的氮原子來插入，即可識別這種胺基酸。就像追蹤顏色不同的珊瑚粒子從什麼地方來、到什麼地方去一般，由於重量不同，可以一直追蹤含有重氮的胺基酸。

重氮的行蹤

就這樣，邁向重大發現的條件已經齊備。原來使用一般飼料養育的實驗老鼠，在短暫的一定時間內改餵含有以重氮標識的胺基酸—亮胺酸的飼料，之後解剖老鼠來調查重氮在所有器官和組織中的行蹤。另一方面，也收集老鼠的所有排泄物，來計算同位素的進出量。

實驗中使用的老鼠都是成鼠。這是有原因的，如果使用仍在成長中的老鼠，牠們攝取的胺基酸將會被吸收成為身體的一部分。但若是成鼠，身體不會再長大，事實上，成鼠的體重幾乎沒有變化。老鼠僅攝取所需分量的食餌，這些食餌被燃燒成為維持生命的能源，因此，攝取的重氮胺基酸應會立即燃燒殆盡。舍恩海默最初是這樣認為的，當時生物學的觀念也是如此，認為胺基酸燃燒後含有的重氮應會全部排至尿液中。

但是實驗結果與他的預測明顯不同。

連續三天餵食老鼠以重氮標識的胺基酸，在此期間中，隨尿液排出的量只有餵食量的二七．四％，為三分之一弱。糞便中排出的只有二．二％，因此，大部分的胺基酸都殘留在老鼠體內的某處。

那麼，殘留在體內的重氮到哪去了？答案是蛋白質。餵食的重氮，超過一半以上的五六．五％被吸收進入構成身體的蛋白質中，而且分散在身體的各個部位。吸收率最高的為腸壁、腎臟、脾臟、肝臟等器官，以及血液中的血清蛋白質。當時以為最容易消耗的肌肉蛋白質，重氮的吸收率反而相當低。

實驗期間，老鼠的體重沒有變化。這到底意味著什麼？

蛋白質是胺基酸像念珠般串起的高分子，具有酶和荷爾蒙的功能，也是支撐細胞運動和形態的最重要物質。要合成一個蛋白質，胺基酸必須一個一個結合。換言之，含有重氮的胺基酸進入老鼠體內，要被組合至蛋白質中，必須將重氮胺基酸插入原來就存在的蛋白質中，就好像將項鍊某一處拆開，在該處插入新的珠子。其實不然，餵食重氮胺基酸後，含有重氮胺基酸的蛋白質瞬間即出現在老鼠的所有組織中，這是因為多數的胺基酸會以極快的速度重新組合成新的蛋白質。

重要的是，老鼠的體重沒有增加，這意味著與新製造出的蛋白質相同數量的蛋白質，以驚人的速度被分解成破碎的胺基酸，然後排出體外。

也就是說，構成老鼠身體的蛋白質，有一半在短短三天內被來自食物的新胺基酸替換。三天結束後，重新餵食由普通胺基酸製成的食餌，於是一度成為身體蛋白質其中一部分的重氮胺基酸又會很快的排出老鼠體外。這與用沙粒堆砌成的沙堡，外形雖然沒有改變，但是珊瑚粒子已經由沙堡而離去完全相同。

動態的「流動」

舍恩海默還確認了餵食的重氮胺基酸是否與身體蛋白質中同種類的胺基酸替換，亦即調查亮胺酸是否會與亮胺酸替換。

他回收老鼠組織的蛋白質，然後加水分解成破碎的胺基酸，並依性質的差異區分為二十種胺基酸，再使用質譜分析儀解析各胺基酸是否含有重氮。結果發現含有重氮的不只有亮胺酸，其他胺基酸，例如甘胺酸、酪胺酸、麩胺酸等也都含有重氮。

進入體內的胺基酸（這裡以亮胺酸為例）會被分割成碎片，再重新分配，構成各種胺基酸，分別組合成蛋白質。也就是說，不斷被分解、替換的是比胺基酸更低層次的分子。這實在令人驚訝。

我們可以實際感覺到皮膚、指甲、毛髮等表層不斷生出新的組織，替換老舊的部分。但會替換的並非只有表層而已，身體所有的部位，不僅器官和組織，連骨骼、牙齒等看起來固定的構造，內部也會反覆的分解、合成。

替換的不只有蛋白質，連被認為是貯藏物的體脂肪也處於動態的「流動」中。體脂肪不含氮。舍恩海默使用氫的同位素（重氫）來調查脂肪的活動情形，他在論文中這樣記載：

（需要能量的情形下）我們曾認為，攝取的脂肪幾乎都被燃燒，只有少部分貯存在體內。但令人驚訝的是，即使在動物體重減少時，被消化、吸收的脂肪大部分仍貯存在體內。

過去，脂肪組織被認為是貯存多餘能量的倉庫，大量攝取時貯存在脂肪組織中，不足時則取出使用。但同位素實驗的結果與此完全不同。倉庫之外即使是需求與供給平衡之時，也會將庫存物運出，同時運入新的物質。脂肪組織以驚人的速度更新內部物質，同時保持著外觀看起來沒有改變的樣子。所有的原子都在生命體內流動、經過。

我們見到久違的友人時，常會寒暄：「看起來一點都沒變！」其實，半年或一年不見，我們身體的分子層次已完全替換，整個改變了。原來在體內的原子和分子都已不存在。

關於肉體，我們可以感覺到自己是與外界隔離的個別實體。但是在分子的層次，卻完全不是這麼回事。我們的生命體只是分子高密度聚集處，而且會以很快的速度替換。這種流動就意味著「生存」，如果沒有不斷從外供應新的分子，就會出現收支不平衡的狀況。

假設我們現在進行斷食，來自外部的「入」停止，從內部向外的「出」則持續，身體雖然會盡可能阻止損失，卻無法抵抗分子的「流動」，使我們身體的蛋白質漸漸流失。因此，飢餓造成的生命危險，缺乏蛋白質要大於能量不足。能量可以貯存在體脂肪中，能忍耐某種程度的飢餓，但是蛋白質卻無法貯存。

舍恩海默根據自己的實驗結果，稱之為「身體構成成分的動態狀態」（the dynamic state of body constituents）。他這樣敘述：

生物只要活著，生物體高分子和低分子代謝物質都會不斷的變化，這與營養學的要求無關。生命就是代謝的持續性變化，這種變化才是生命的真正面貌。

這就是新生命觀誕生的一瞬間。

推薦序

生命中美好的動態平衡

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〈前言〉

所謂生命，究竟是什麼？

我目前住在東京近郊的多摩川附近，經常在河邊散步。微風拂過河面吹來，令人心曠神怡。我避開陽光的反射，凝視水中。我知道水裡棲息著各種生命，突出水面的三角形小石塊上可以看到烏龜的鼻子；順著水流游動，是像細線般的幼苗魚群；或是黏在水草上，看起來像沙粒的蜻蜓幼蟲……。

我突然想起剛進大學時，生物學老師問大家的問題：人可以在瞬間分辦出生物與非生物，但你是如何認定生物的？大家能為生命下定義嗎？

我一直期待著答案，但直到整個課程結束，都沒有明確的答案出現。課堂上僅列出由細胞組成、有DNA、藉呼吸製造能量等幾個生命特徵後，隨著暑假到來，課程也告一段落。

在為某一事物下定義時，列舉出屬性來敘述是比較容易的做法，但是，要清楚認識定義的對象，絕不是件簡單的事。進入大學後我首先發現到的就是這一點。從那時候起，我就一直在思考何謂生命這個問題，但直到今天，還沒有得到一個明確、能令我滿意的答案。現在的我，對於過去二十多年來的問題，或許能用一種比較具體的方法來探索了。

生命到底是什麼？「生命就是進行自我複製的系統」，這是二十世紀生命科學所得到的一個解答。一九五三年，科學專門雜誌《自然》上刊登了一篇僅千字左右（一頁多）的論文，論文中提出由兩條方向相反的螺旋組成的DNA模型。生命的神秘就在這個雙重螺旋結構。因為它美麗的結構，許多人在看到這個劃時代模型的同時，就立即相信它的正當性。但更重要的是，這個結構還明確顯示出它的機能，兩位共同執筆這篇論文的年輕科學家華生和克里克在文章最後說：「這個雙螺旋結構讓人立即聯想到自我複製機制，這一點我們並沒有忽略。」

DNA的雙重螺旋呈相互複製的對稱結構。雙重螺旋解開後，就像軟片的正片與負片的關係。根據正片製造出新的負片，原來的負片則製造出新的正片，於是產生兩組新的DNA雙重螺旋。寫入正或負片的螺旋狀軟片中的暗號，就是基因資訊。這是生命的「自我複製」系統，新的生命誕生時，或是細胞分裂時，成為資訊傳達機制的根幹。

DNA結構的發現，揭開了分子生物學時代的序幕。接著又陸續了解DNA上的暗號，就是細胞內微小物質的轉殖資訊，以及這些暗號是如何被讀取的。進入一九八○年代後，更能夠藉由類似極為精密的外科手術將DNA切開或連接，以轉錄資訊，換言之，基因操作技術的誕生，達到了分子生物學的黃金時期，讓我這個從小就著迷在草原上追逐昆蟲、在水邊捕魚，法布爾（Jean-Henri Fabre，法國博物學家、昆蟲學家、科普作家）和今西錦司（日本生態學家、人類學家）等自然主義者的崇拜者，也無法抗拒這股時代的熱潮。不管我願不願意，不，我甚至主動進入微小的分子世界。因為那裡有著生命的關鍵。

就分子生物學的生命觀，所謂生命體，是由無數微小零件組成的精密模型，說它是分子機械也不為過，也就是笛卡兒所主張的機械性的生命觀。如果生命體是分子機械，那麼就可能利用精巧的操作來改變生命體，進行「改良」。即使還無法立即進展到這種程度，或許也可以讓分子機械的某個零件停止運作，來觀察生命體會發生什麼異常，以推測該零件的功能。也就是說，可以由分子的層次來解析生命的秘密。基因改造動物，例如「基因剔除鼠」，就是基於這樣的想法製造出來的。

我過去對胰臟的某個零件頗感興趣。胰臟是製造消化酶、分泌胰島素來控制血糖值的重要器官。由該零件的存在部位和存在量來思考，它一定與細胞工程有關。於是我使用基因操作技術，將它從DNA中抽取出來，製造出缺少了這個零件的老鼠。這就是「剔除」了某一零件的老鼠。調查老鼠在生長過程中發生什麼變化，就可以了解這個零件的功能。或許老鼠無法製造充分的消化酶而導致營養失調，或是因為胰島素的分泌異常而引發糖尿病。

投下很長的時間和大筆研究經費，我們終於製造出這種老鼠的受精卵。將受精卵置入孕母的子宮，然後等待小老鼠的誕生。母老鼠順利生產，我們屏息觀察幼鼠到底會出現什麼變化。幼鼠慢慢長大為成鼠，但並未出現任何異狀。沒有營養失調，也沒有糖尿病。我們檢查牠的血液，拍攝顯微照片，進行各種精密檢查，結果毫無異常和變化，令我們感到非常困惑。這到底是怎麼回事？

事實上，全世界與我們同樣抱著期待，製造出剔除了各種零件的老鼠，結果與我們同樣困惑和失望的例子不在少數。如果與預測不同，並未發生特別的變化，就無法發表研究成果，也不能寫成論文。相信類似情形應該很多吧。

我最初也很失望，直到現在仍有一半失望的感覺。但我漸漸意識到，這不就是生命的本質嗎？

利用基因剔除技術，即使完全剔除某一種零件或某一片斷基因，生物仍可用某種方法彌補缺陷，發揮補償作用，使整體不至於出現任何功能失調。生命具有一種重要的特性，不像零件組成的模型般，能以類比推論的方式來說明，它似乎存在著其他的動態（dynamism）。我們觀察世界，能夠分辨生物與非生物，或許就是感受到生物的動態。那麼，這種「動態」到底是什麼呢？

我想起了一位猶太科學家舍恩海默（Rudolph Schoenheimer）。他在DNA的結構發現之前就已經去世了，他是首先提出生命為「動態的平衡狀態」的科學家，證明了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，生命體的身體並非如塑膠模型般，是由靜態零件所組成的分子機械，而是成立於零件本身的動態之中。

前幾年，我針對舍恩海默的發現，將我們不斷進食的意義和生命的形態，與狂牛症問題對照進行探討，寫了《能安心吃牛肉了嗎？》（もう牛を食べても安心か，二○○四年）一書。在這本書中，我則根據「動態平衡」論，思考如何區分生物與非生物，以及我們生命觀的演變。這也是我朝大學第一學期被問到的問題「生命是什麼？」所邁出堅實的一步。

〈前言〉

所謂生命，究竟是什麼？

我目前住在東京近郊的多摩川附近，經常在河邊散步。微風拂過河面吹來，令人心曠神怡。我避開陽光的反射，凝視水中。我知道水裡棲息著各種生命，突出水面的三角形小石塊上可以看到烏龜的鼻子；順著水流游動，是像細線般的幼苗魚群；或是黏在水草上，看起來像沙粒的蜻蜓幼蟲……。

我突然想起剛進大學時，生物學老師問大家的問題：人可以在瞬間分辦出生物與非生物，但你是如何認定生物的？大家能為生命下定義嗎？

我一直期待著答案，但直到整個課程結束，都沒有明確的答案出現。課堂上僅列出由細胞組成...

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前言所謂生命，究竟是什麼？

1 紐約大道與六十六街
2 無名英雄
3 四個字母
4 查加夫拼圖
5 衝浪愛好者獲得諾貝爾獎
6 DNA的黑暗面
7 機會是留給準備好的人
8 原子產生秩序之時
9 什麼是動態平衡
10 蛋白質的輕吻
11 內部的內部就是外部
12 細胞膜的動態
13 賦予膜形狀的物質
14 數量、時序、剔除
15 時間是解不開的折紙

後記除了跪在自然的潮流之前，什麼都不該做

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10 蛋白質的輕吻
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13 賦予膜形狀的物質
14 數量、時序、剔除
15 時間是解不開的折紙

後記除了跪在自然的潮流之前，什麼都不該做