分子生物學的啟示 - 陽明大學

分子生物學革命了生物學，將傳統的遺傳學原理推到物理化學可以解釋的分子階層，同時給達爾文的進化論提供物理的基礎。

二十世紀初的遺傳學只著重在孟德爾遺傳性狀變化的數學 ... Home |About Us|Publications|Links 分子生物學的啟示 陳文盛 1997於陽明大學遺傳所 摘要 1940年代一批物理學家挾著量子物理學的輝煌成就﹐抱著生物現象應該可以用物理方法研究及詮釋的信念﹐投入遺傳學領域﹐開拓出現代生物學的新局面。

接下來二、三十年的快速成就﹐證實了他們的信念是正確的﹐雖然他們期待在新生物學中找到新的物理學法則的奢望完全落空。

整個遺傳現象﹐從基因及染色體的結構﹐到它們的功能及調控﹐通通可以在分子階層﹐用物理及化學方法剖視﹐沒有絲毫與已知的原理相抵觸之處。

對我們的物理世界觀來說，分子生物學可以說統一了生命科學與非生命科學﹐就好像量子力學統一物理學與化學。

由此我們的基本物理世界觀，在量子物理以上的階層，可以說已大致上完整。

除了新的物理原則不見蹤跡之外﹐超自然的生命力也無藏身之處。

所以分子生物學不僅替遺傳學及達爾文的演化論提供分子層次的物理基礎﹐也擊退提倡超自然生命力及「設計的生命」的宗教觀。

由此甚至影響到1960年代存在主義的崛起﹐對現代的人生哲學有長遠的影響。

分子遺傳學闡明了存在於核酸中的遺傳密碼。

這在主宰細胞中生命現象的數位資訊﹐引起革命性的發展。

正在起步的「生物資訊學」這門新學問不但研究各個生物中的遺傳程式所具有的功能﹐以及其相互間的互動﹐還要在這些資訊中尋找演化的痕跡。

資訊數量及複雜性顯然隨著演化過程而增加﹐而且資訊的形式從細胞中先天的遺傳資訊演進到後天在個體外累積、並且也能世代相傳的資訊，因此提昇了天擇的遊戲規則。

分子生物學所發展出來遺傳工程新技術﹐讓我們可以相當輕易地分離及操縱基因﹐在學術研究及應用科學上有突破性貢獻。

但是它的威力也帶來強烈的社會及道德問題。

遺傳工程技術被質疑會導致生態的破壞﹐自然演化的干擾﹐優生學的誤用等。

有些課題初看似乎無稽﹐但其中有些議題是史無前例，而且顯然是我們無可避免必須勇敢去面對的。

人類一開始就在改變大自然和演化的遊戲，但是所牽涉的幅度和影響的深遠都遠不及我們目前所面對的。

如果神不存在，我們是否應該勇敢地自己負起人類前途宿命的責任？就像 JamesWatson所說的：「如果我們不扮演上帝，誰來扮演？」 分子生物可以說是二十世紀下半紀對人類影響最深遠的科學發現。

它不但牽動整個自然科學界，也影響我們的世界觀，並且對人類社會發生史無前例的衝擊。

我在這裡將分子生物學的影響從內到外分三個層次來討論。

最鄰近的是它對生物學本身的貢獻，其次是它和其他科學及人文哲學的影響，最外層的是它所帶來的新技術對社會的衝擊。

分子生物學所引起的這些革命中，雖然很多是技術及科學方面的超級突破，但是我認為它對人類的影響最深遠的將是在人文方面。

分子生物學革命了生物學，將傳統的遺傳學原理推到物理化學可以解釋的分子階層，同時給達爾文的進化論提供物理的基礎。

二十世紀初的遺傳學只著重在孟德爾遺傳性狀變化的數學分析，靠著分子生物學的努力，才獲得完整的物理化學的解釋。

基因原來是基本結構相當單純的 DNA，上面的遺傳密碼經過ＲＮＡ的轉錄，合成蛋白質，進行結構和催化代謝反應的功能。

這就是所謂分子生物的「中樞教條」。

DNA 的變化，造成基因的突變，就是演化的原動力。

達爾文的進化論於是得到了完整的物理基礎，促成所謂「新達爾文主義(Neo-Darwinism)」。

　 分子生物學告訴我們，生物現象都可以用已知的物理化學原理解釋，並沒有任何違背已知的物理化學定律、或須要借助於新原理的的地方。

這發現破滅了早期投入新生物學研究的物理學大師的美夢。

這些號召其他物理學家投入新生物學研究的大師，本來對新生物學抱著很大的希望。

他們希望新生物學可以給走到巔峰的量子物理學帶來新局面。

他們希望能在新生物學中找到與現有原理矛盾的所謂「deep paradox」，而這矛盾最終將導致較高層次的了解。

這是NielsBohr首先提出來的。

Bohr會有這種期望是很自然的，因為這是近代物理學史本身的寶貴經驗：一些重大的突破都是以新現象或新實驗結果和當代的物理「典範 (paradigm)」之間的衝突為出發點而引發的。

在新生物學的黑箱子中是否也有和現有的物理學相抵觸之處呢？ Schroendinger以《What islife？》一書吸引大群物理學家進入分子生物學行列。

他在書中也暢言他希望在新生物學中找到「別的物理定律（otherlaws ofphysics）」。

Bohr的學生，Delbrueck，不但大力鼓吹物理學進攻生物學的時機已經來臨，自己甚至全力投入領導新生物的發展。

他整個下輩子盼望在自己和別人的研究中，找到能引導至新物理原理的paradox。

他說：我們「…要在生物本身的條件下分析，而建立理論時，不要怕和分子物理相抵觸」。

他也相信在新知識與已知的物理原理相抵觸的地方，存在著新原理的線索。

他甚至認為這 「將是未來物理學家最熱衷的方向」。

但是這些物理大師的美夢都沒有成真。

雖然Delbrueck所領導的一群分子生物學家開創出一片新天地。

但是這片新天地中沒有看到任何與現有物理化學知識有所衝突之處。

一切進展可以說太順利了。

所以雖然他開創出分子生物學，教導出一群學生子弟，自己也獲得諾貝爾獎的殊榮，但他仍遺憾沒有達到他的一生追求的夢想。

分子生物學雖沒有找到新的物理原理，但是它統一了非生命科學和生命科學。

在這之前，非生命科學的兩個主要支柱，物理學和化學，只能和生物學沾上一點邊，對生物學中最中心的遺傳學幾乎完全使不上力。

分子生物學的努力將物理學和化學成功地搬上生物學的殿堂，證明生物學也不過是穿著時髦而已，骨子裡頭還是一般的物理和化學。

所以，分子生物學掀開了生物的迷紗，將生物學和物理及化學統一起來。

這就像量子力學半世紀前統一物理學和化學起來一樣。

於是，我們現在的物理世界觀基本上相當完整。

不像以前會有一個知識的鴻溝隔離著有生命和沒生命的世界，雖然我們從各個角度看來二者之間是息息相關的。

　 　 分子生物學不但統一了我們物理世界的基本原理，也統一了我們所存在的這個世界的歷史。

分子生物學將無生物的演化史和生物的演化史連結在一起，形成一個完整的模式。

物理學家對這宇宙的起源有些歧見，但是大家基本上同意最早的物質大概只是種類不多的粒子，然後才形成原子，再結合成形形色色的分子。

物質隨著時間的進展越來越複雜。

隨後，星球的出現才提供生物發展所需要的穩定環境。

分子生物學提出生物從無生物發生的原理。

這或許可以說很早就被推翻的《自然發生論》，現在以新的形式出現悒耵垓蚳s是可以由無生物演化過來，只是所需的時間非常非常地漫長。

只要有適當的環境，假以時日，能夠自我複製的生命體自然會出現。

這種能夠自我複製的生命體有一個無生物基本上缺少的新特質，就是自我複製所需要的資訊，也就是我們現在所謂遺傳資訊。

這資訊的發展在我們整個宇宙演化史是很重要的新局面。

所以我要在這裡提出資訊是生命的第三種要素。

我們知道生物完全（直接或間接地）依賴無生物世界提供物質及能量，但是這些生理活動都依賴生物體中的資訊所指導。

這些資訊包括 DNA序列所代表的遺傳資訊，以及DNA序列之外的所謂「表遺傳(epigenetic)」的訊息。

這些都是可以遺傳到下一代的資訊。

當生物複製時也須要複製這些資訊。

　 資訊、物質、及能量三者是生物體所不能或缺的要素。

資訊固然主宰生命現象，它的存在必須依賴物質的基礎，而且必須依賴能量來複製，來維持其完整性以及其功能的執行。

很多人會說人類是高等生物，細菌是低等生物。

有些人（包括我）會如此反駁他們：現代的細菌和現代人有一樣長久的演化史，長得比人快，代謝效率更快，而且大概會比人經得起天擇的考驗，怎麼說它們低等呢？可是人確實和細菌很不一樣，從構造和生理上都很不一樣，演化上也顯然很不一樣。

人類是好像是有比較高等。

高等在那裡呢？ 我們從生物資訊上就可以很客觀的分出高下，不必訴諸人類沙文主義。

我們可以用資訊來區分生物的等級：高等生物的定義是資訊較多和較複雜的生物；低等生物則資訊較少較簡單。

依照這定義，人是比細菌多了很多的生物資訊，特別是從單一的受精卵細胞發育到複雜的成人個體所需要的資訊。

用這一觀點來比，細菌只好認輸。

更高等的生物還有另外一點長於低等生物之處，就是它們還發展出存在於細胞外，甚至個體外的複雜資訊。

這包含從細胞與細胞之間的溝通，到蟲鳥族群中的溝通，一直到我們的文字語言的資訊。

很重要的一點是這些資訊可以以遺傳方式，也可以以後天傳授的方式世代相傳。

這些我稱之為「較高等的資訊」。

我怎麼分高等和低等的資訊呢？我的定義中，高等資訊可以處理和理解低等的資訊，低等資訊無法處理和理解高等的資訊。

人的邏輯語言可以分析遺傳密碼，遺傳密碼無法了解人的資訊。

這些高等資訊顯然影響生物在大自然中的生存競爭能力。

最強烈的例子是社會動物所使用的高等資訊。

所以，早期的演化偏於遺傳訊息的改變，和它們所接受的天擇，在後期的演化中，高等生物發展的體外資訊改變了演化天擇的遊戲規則。

　 到這裡我們可以了解生物資訊學的重要性。

生物資訊學就在最近一、二十年中，在世界各處萌芽出來。

我們在 DNA和RNA的序列分析它們的類比資訊（就是它們的三度空間結構），還有它們的數位資訊（就是遺傳密碼）。

這些研究包括在已知的遺傳訊息中找尋有關這生物的結構、功能、和演化的知識，並且將來還可以根據我們的知識，設計新的、有意義的遺傳資訊。

這們新學問在二十一世紀中將伴隨著以電腦發展的人工資訊學平行蓬勃發展，大幅地改變我們所熟悉的這個世界。

　 　 分子生物的研究沒有找到新的物理原則，也沒找到任何超自然的生命力。

生物體的功能及演化顯然不是「指導主義」的產品。

不管生物體看起來有多精巧多美妙，它不是設計的產品。

它主要是在分子結構上隨意敲敲打打，而透過天擇篩選留下來的存活者。

這觀念衍生的意義就是：一般宗教所描述的造物者似乎不存在，至少在生命創造和演進上我們看不出祂的蹤跡。

探討造物主存在的論證已經被往後推到基本物質和其物理特性的創造發明，因為現在看起來有了這些基本物質，生物的出現及演化就不可避免了。

神存在的話，祂不在這階層干涉。

分子生物於是助長了無神論的宗教觀。

我想最鮮顯的例子是1960年代在歐洲，特別是法國，所崛起的存在主義。

像偉大的法國分子生物學家 JacquesMonod就如此說：「現代社會被科學奪去所有鞏固、完整、可以被接受來建築它的價值觀的信念。

」他所指的信念就是先天存在、不容懷疑的價值觀，也就是大部分的宗教教條。

他說︰「這可能是人類文明中所發生過最大的革命。

」 跟Monod一起研究lac操作子著名的Fran