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前言
推薦序/黃貞祥
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生物與非生物之間:所謂生命,究竟是什麼?一位生物科學家對生命之美的15個追問與思索(WV02003)

類別: 自然‧科普‧數理>科學
叢書系列:有方文化
作者:福岡伸一
       福岡伸一
譯者:劉滌昭
出版社:有方文化有限公司
出版日期:2019年12月20日
定價:320 元
售價:253 元(約79折)
開本:25開/平裝/280頁
ISBN:9789869792127

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前言推薦序/黃貞祥內文摘錄



  內文摘錄

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?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?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。