一粒細胞見世界
商品資訊
系列名:科學天地
ISBN13:4713510944158
替代書名:Life Itself: Exploring the Realm of the Living Cell
出版社:天下文化
作者:倫斯伯格
譯者:涂可欣
出版日:2023/12/01
裝訂/頁數:平裝/360頁
規格:21cm*14.8cm*2cm (高/寬/厚)
版次:3
商品簡介
歡迎跟隨作者的腳步,進入意象豐富的細胞世界暢遊。
讀者彷彿把自己縮小幾千萬倍,鑽進細胞小人國裡,
飽覽微觀世界中,各種精緻的細胞結構、
巧妙的功能運作、以及嚴密的調控機制。
包括:精子如何闖過重重難關衝向卵、
細胞如何一分為二、細胞與細胞之間如何接合、
細胞是怎麼傳遞訊息的、養分如何進出細胞、
細胞又為什麼要根據遺傳程式而自己凋亡、
癌細胞又是怎麼生成的……
而所有的疾病,都是因為細胞出錯惹的禍。
研究細胞,不僅為各種疾病的治療找到生機,
也是解開生命奧祕的關鍵。
走一趟細胞之旅,等於蒞臨細胞研究的最前線,
參觀細胞生物學、分子生物學、發育生物學的精彩成果,
碰觸各種熱門的生物醫學話題和科學新知。
《一粒細胞見世界》,所見到的何止是細胞內的小世界,
也見到我們這個充滿生老病死、繽紛多彩的大世界。
透過顯微鏡頭,觀察一個活生生的細胞,
領會生命的奧秘,不免令人激動興奮!
很難想像,還有什麼更好的方式,
能把這份激動興奮之情,傳達給學子。
倫斯伯格做到了,
他對於細胞生物學的驚嘆和熱情,躍然紙上。
——《自然》期刊
《一粒細胞見世界》是一本精彩絕妙的科學文摘,
書中提供目前所知的各種細胞內的活動機制……
作者倫斯伯格能夠精挑細選他的報導主題,
畢竟從細胞層次來展現生命的物理基礎,是最恰當不過了。
——《紐約時報書評》
◎ 《中國時報》開卷版一週好書推薦
走訪細胞小人國
顯微鏡下的「細胞」,
是一個具體而微的繽紛世界。
細胞內外的活動,比化學工廠還熱鬧,
密密麻麻的組成,比電腦還複雜。
如果把細胞比喻成一間大小適中的客廳,
那麼儲存遺傳藍圖的細胞核,就如金龜車般大;
金龜車旁,約有半打的懶骨頭靠椅,疊成一堆,
每隔一段時間,就有一些高爾夫球大小的氣泡,
自那疊懶骨頭靠椅中冒出,緩慢飄浮……
這間客廳裡,還織滿了密密麻麻的繩網,
有些繩索直直延伸,有些則像樹枝般長出分枝,
還有些細繩在纏繞金龜車一番後,延伸到牆上。
你還可見到許多香腸狀的物體,沿著繩索滑動,
更有許多像漏了氣的熱氣球,鬆散的摺疊著,
上面還黏了數千顆彈珠呢!
相當於客廳牆壁的細胞膜,
則是細胞最重要也最活躍的部位。
細胞膜上有數千個「門房」,
每個都有特定送往迎來的對象……
作者簡介
作者介紹
倫斯伯格 Boyce Rensberger
資歷超過五十年的美國資深科學記者,曾任職《底特律自由報》、《紐約時報》、《華盛頓郵報》。畢生致力於科學知識的傳播,曾兩度獲頒美國科學促進會頂尖科學寫作獎,曾任麻省理工學院「奈特科學報導獎助計畫」主持人,主編過《華盛頓郵報》極富教育性的「地平線」月刊。著有《一粒細胞見世界》、《速成生物學》、《野生動物禮讚》、《世界如何運轉》等書。目前與妻子定居在馬里蘭鄉下。
譯者介紹
涂可欣
臺灣大學農化系畢業,陽明大學神經科學研究所碩士,曾經於美國伊利諾大學遺傳研究所進行博士研究。目前致力於科普書籍與科普雜誌文章的翻譯和寫作,期待能為建構科學界與大眾間的橋梁貢獻一分心力。譯有《一粒細胞見世界》、《看!這就是生物學》、《免疫兵團》等書,科普文章散見於《科學人》雜誌。
序
導讀
從細胞透視生命本質
——程樹德
美國東北部的麻州像是一條巨型的抹香鯨,方方整整的頭和身軀向西插入內陸,剛好咬住紐約州的腰部,而細小的尾巴向北蹺起,仍留在大西洋中,承受海洋之滋潤與肆虐。這條尾巴又像細長的手臂,它其實就是著名的「鱈角」半島。
半島的南北兩岸均是綿延的沙灘,但南岸尤為波平浪靜,是波士頓人在夏天避暑戲水的勝地,富人尤以擁有面海度假別墅為傲。甘迺迪家族在小港「海恩尼斯」(Hyannis)有個大莊園,老夫人常住於此,而在權力圈內打滾的諸兄弟,休假群聚此處時,便熱鬧滾滾、性事連連。
在鱈角半島底部,也就是手臂的胳肢窩處,是一個叫伍茲霍爾(Woods Hole)的寂靜漁港。一條小街緊逼著海岸,三、四間老式啤酒館排列在兩側,店外的風鈴叮叮噹噹隨風響著,小漁船從外海進內港時,小街中段的橋便掀了起來。在小街一端有一棟溫暖的小木屋,是間書店,店裡頭除了供應休閒書、旅遊書和文學書外,竟有許多生物、演化、地質和氣象之類的書籍,與大學校園內的書店相比,毫不遜色。小街另一端的左側有間小水族館,展示著幾十種當地的魚類,右側有條巷子,遊客一旦轉進去,會發現幾棟高大的建築,外牆有羅馬式的大石柱,小拱門入口處鏤刻著「莉莉紀念實驗室」或「洛布實驗室」。在這新世界的小漁村中,怎會有舊世界的藝術傳統和科學研究呢?
凡是對生物學歷史有一絲興趣的訪客,會發現這僅有一條小街的漁港,幾乎是細胞學的麥加聖地。十九世紀末葉,當實驗生物學勃興時,美國東北部的生物學家利用此處易於捕獲海洋生物之便,設立了暑期海洋實驗站,一面享受泛舟觀海之樂,同時也與三、五好友趁機一起做個構思已久的研究。到了二十世紀初,這「伍茲霍爾海洋生物研究所」已開始出現引人矚目的成果。
從德國移民到此的洛布(Jacques Loeb, 1859-1924),在1912年利用化學藥品刺激海膽的卵,使它不必受精,即進行分裂。這結果不但上了報紙的頭版,而且被新聞界誤報為「試管中製造生命」,甚至被比喻為「處女生子」之神蹟,讓很多未婚婦女不敢到海邊戲水,但也讓求子心切的夫婦趨之若鶩。
不久之後,一位天才橫逸的匈牙利人聖捷爾吉(Albert Szent-Györgyi, 1893-1986),被納粹趕到美國,就在伍茲霍爾落腳下來,他在1930年代即因發現維生素C,而獲諾貝爾生理醫學獎。這位自稱「酒神」型的實驗者,聲明自己沒有長期的研究計畫,今天想到什麼有趣的事,就做什麼,因之他雖然聲望崇高,卻經常申請不到研究經費。他在海洋生物研究所的多年中,對肌肉如何產生運動深感興趣,進而影響了同事,不少人用烏賊的巨大神經軸突,來研究胞內囊泡之移動以及神經脈衝的傳遞。
海洋生物研究所對科學另一重大貢獻,即是暑期舉辦的細胞生理學課程,凡是研究生或想改行的老手,都可在此接受深入的訓練,而授課者則是資深的細胞生物學家。在密集的授課、實驗和討論中,常激發出新的假設,也正是在這種合作又競爭的氣氛之中,細胞內多種管轄運動的分子,以及控制細胞分裂的「週期蛋白」陸續被發現,因而催生細胞學的黃金時代。
這項課程的籌劃者有個遠見,即開放一些學員名額給新聞記者及科學作家,讓這些文科人士也能浸潤在細胞學的趣味之中。在1987年,這項「陰謀」果然逮到《華盛頓郵報》記者倫斯伯格,他因之受到雙重的魔咒,不但愛上了細胞學,更與一位同班上課的細胞學研究生墜入情網。從1989年他就辛勤的為這份柏拉圖之愛而東奔西走,進行訪問、撰寫、拍照、思考,終於在六年後,把他「愛的結晶」呈現給讀者,就是您手中這本《一粒細胞見世界》。
就因作者不是職業科學家,所以反而較重視一般內行人習以為常的科學觀念,也較能透過刻意的說明,讓各種理解層次的讀者,都能一窺科學的堂奧,不論中學生、大學生或研究生,都能從本書的閱讀中受到啟發。
第一項基本體認:生命的機械觀
在現今細胞學豐富的歷史及文獻中,有三項基本體認最能讓作者興奮及深思,它們貫穿了各章節,指導了作者思考及敘述的方向。讓我在此提出來,為讀者解釋一番。
其一就是所謂「生命的機械觀」,也即認為:生命諸運作皆可由物理及化學原理來解釋,不需另想像一種神祕的「生命力」。雖然用機械運行來說明天文現象,很早即由笛卡兒提出,但植物的萌芽、開花與結果,動物的胚胎發育及運動覓食,似乎有一內在的「生機」、「生靈」或「靈魂」在主宰,因此從亞里斯多德以降,一直到十九世紀中葉,歐洲科學家仍然認為一個神祕的「生命力」劃分了生物與無生物。
但隨著實驗方法的進步,被歸因於神祕力量的現象,可以用自然的運作解釋,而其根本道理似乎也能用日漸精密的物理與化學來明瞭,造物者之心機與生命力的陰影也都被趕出了生命體。
作者在字裡行間,常情不自禁的表達對這項新體會的快樂,例如幾百萬個保存在液態氮桶的細胞,可以在無生命狀態下冰凍許多年,一旦解凍了,這些細胞又可攝食、爬行和繁殖了。這個例行的實驗步驟,如果用「生命力」之進出來榮耀之,似乎多此一舉。又例如細胞內囊泡交錯運行著,好似有無數小精靈很活躍的推動著,但當我們在試管中能用馬達分子、細胞骨架分子和供應能量的分子重現這「原生質」內神祕運動時,小精靈們也黯然失色了。
第二項基本體認:演化
第二項重要觀念即「演化」。如果複雜得像一座大型工廠的真核細胞,能夠由無生命現象的體液突然變化而生,那非得有「靈魂」介入不可,所幸十九世紀的魏修(Rudolf Virchow, 1821-1902)早就提出「新細胞是由既存細胞分裂而成」的觀念。既然細胞有其歷史與傳承,那麼「隨時而變,適應環境而變」的演化過程,也必伴隨著細胞,使地球上之細胞由簡單而複雜,由小而大,由單一細胞而聚集成數百億細胞的共和國。
倫斯伯格雖沒有闢專章談細胞的演化史,但在各章都用演化觀點來統合生命現象。例如他所描寫的細胞客廳中,有幾百條長香腸般的物體,它們表層膜下,又有第二層膜,彎彎曲曲的摺疊在此胞器中——這種稱為粒線體的胞器專門生產能量分子,但它雙層膜內居然有一圈DNA,也能自製蛋白質。而在植物細胞內的綠色大胞器葉綠體,更有層層疊疊的圓餅狀結構,它能逮住光子的能量而轉換成化學能,這葉綠體也有自用的DNA呢!
若能知道這兩個大胞器怎樣演化出現,也就能部分回答真核細胞怎樣演化的大問題。二十世紀初就有人主張:粒線體和葉綠體原本是小細菌,但因機緣而活在大細菌體內,然後逐漸改變而成。這種「內共生說」受一般學界嘲笑譏諷,直到1960、70年代由女科學家馬古利斯(Lynn Margulis, 1938-2011)傾全力提倡,方被多數人接受。
「內共生說」能將原核細胞及真核細胞間的鴻溝交通起來,使細胞的代代綿衍可以上推到約四十億年前,那時有機分子愈變愈複雜,終至組成有內外隔絕、能分裂繁殖、而且能傳遞過往智慧的原始細胞。
第三項基本體認:個體與群體利益之分際
第三項重要觀念是,雖然細胞的行為必須要用「演化」的眼光來剖析,才會發現其生存之意義,但多細胞生物的林林總總,要用「個體與群體利益之分際」觀點來看,方才能體會其妙處。作者確實多次觸及這個課題,例如癌症之產生就與細胞失去了外在控制有關。
單細胞生物能我行我素的活動及繁殖,但有著數百億細胞的大生物內,細胞就得有嚴格分工,因為有性生殖過程中,唯有生殖細胞(精子及卵)有機會傳衍下去,是最有生存利益的;而諸如紅血球細胞只能循環周身,傳送氧及排出二氧化碳;肌肉只能收縮及放鬆;神經細胞只能傳遞信息。它們都不能繁衍到下一代,何以它們不造反,不爭著做生殖細胞呢?
細胞的共和國內怎樣解決這樣的爭端呢?細胞既聚合成群體,就得放棄其生存「主權」,而以群體之利益為依歸。當群體需其繁殖時,就進行分裂,例如皮膚細胞分裂以修補傷口,而當群體需其犧牲時,細胞就進行「有計畫性的死亡」,例如指間的胚胎細胞和某些免疫系統的細胞。
細胞怎樣分工、怎樣協調,當是多細胞生物所以能演化出現,首需具備的「遺傳智慧」,也唯有用這角度觀察,癌症的反叛本性才能夠清楚顯現。正常的細胞受了突變,不再理睬外來的信號,只顧利己的生殖,這即走上了腫瘤愈來愈惡化之途,最後把整個群體完全搞垮,癌細胞也無法獨存。個體與群體之利益衝突及其協調,下至基因階層,上至人類社會之大群體,都不斷進行中,作者對此頗有發揮。
「生命的機械觀」、「演化」及「個體與群體之利益」這三項觀念是倫斯伯格從細胞學知識中,萃取出來的哲思,以之運用到細胞運動、分裂、受精、免疫、癌症、小生物復活及遺傳疾病各專題,的確為正值黃金時期之細胞學,提供一最佳之介紹。讀者以本書為小說,可也,因它頗具趣味;以之為教科書,可也,因它有不少細節呢!
目次
前言與誌謝
第1章 一顆小生命
第2章 分子馬達
第3章 生命的躍動
第4章 假如細胞像客廳
第5章 基因如何運作
第6章 生命一分為二
第7章 當精子遇上卵子
第8章 造人計畫
第9章 能屈能伸的超級纖維
第10章 傷口救援行動
第11章 自我防衛靠免疫
第12章 癌症就像叛軍突起
第13章 生命不死
名詞注釋
延伸閱讀
書摘/試閱
一切只為了游向卵子
婦女每次月經週期中,都會有一顆卵細胞,自兩個卵巢之一蹦出,這兩個卵巢交替工作著。在鄰近卵巢處,則有輸卵管,或稱子宮管的開口,邊緣有手指狀的構造輕拂著,將卵細胞撥入輸卵管中。
此時期的卵已發育完全,大小是一般細胞的一千倍,配備了所有的胞器,以及來自母方的半套染色體。但與一般誤解不同的是,此時卵細胞內仍有四十六條(二十三對)染色體,要待與精子結合後,才會展開第二次減數分裂。
巨大的卵細胞並非獨自走完輸卵管內的旅程,大約有數千個小細胞,堆積如小山丘般,團團包圍著卵,一路伴隨護送著卵。從這些「卵丘細胞」(cumulus cell)或卵細胞中,會分泌出一些特殊的分子,擴散在輸卵管內的液體中,以吸引可能出現的精子。
輸卵管壁上的細胞則長著毛髮般的纖毛,很規律的前後擺動,卵細胞就順著纖毛的波動,在卵丘細胞的簇擁下,以訊息分子(或暱稱為「香水分子」)為前導,安穩的由輸卵管滑向子宮,整個過程耗時四天。
如果此時有精子進入婦女的生殖管道,便會嗅到香水的味道,而奮力拍動尾巴,逆流而上,朝著卵細胞邁進。精子不像卵那般巨大,事實上如果不將精子的尾巴計算在內的話,它將是人類細胞中最小的——如果將精子放大至細胞客廳的尺寸來看,它的尾巴約為客廳長度的五倍,但頭部卻只有一張椅子那麼大。
精子的基因平常並不會表現(除非它能幸運的使卵受精),因此精子中沒有mRNA,沒有可讀mRNA的核糖體,沒有使蛋白質適當摺合的內質網,也沒有負責蛋白質外送的高基氏體。整個精子細胞的設計,都只為了「行動」,它唯一的目標,就是游向卵,以傳送一組暫時休止的基因。
為了要達成目標,這些精子必須競跑一段比自己體長(包括尾巴在內)還長數千倍的距離,這可是要耗費相當多能量的!因此,一個精子細胞內必然含有的、而且數量很多的,就是供給細胞能量(ATP)的粒線體;所有的粒線體都整齊緊密的包裹在尾巴基部,使它們能距離微管最近,而能有效供給能量。
這條有如長鞭般的尾巴,是證明人類精子演化自單細胞原生動物最鮮明的證據。此外,精子內的微管排列方式,也和所有纖毛及鞭毛內的微管排列方式相同——中央有兩根分離的微管,外圈環繞著九根「微管二聯體」。這種「9+2」的排列,存在於所有具毛狀突起的生物體內,從細菌到人類,甚至到植物的精子。如果此時還有人不相信所有地球上的生物,都依循相同的結構與方法來運作的話,這「9+2」的微管排列,是另一個強力的證據。
然而,精子內的動力蛋白若不幸帶有遺傳缺陷,將可能造成男性的不育症。例如卡特金納症候群(Kartagener's syndrome),即肇因於馬達分子缺少了自ATP萃取能量的那一部位,沒有能量來源的馬達分子將無法產生收縮、使微管滑動,導致精子無法游動。
由於身體其他部位的纖毛運動,像呼吸道纖毛將塵埃及化學物質排出肺部的運動,也需要馬達分子的參與,因此病人常伴隨有慢性支氣管炎及習慣性的鼻竇感染。在分子與細胞生物學尚未發達的年代,醫生大概很難想像不育症與鼻竇炎,兩件看似風馬牛不相及的毛病,是同一因素所造成。
在輸卵管相會
這支龐大的精子艦隊,浩浩蕩蕩在香水分子的誘導下,奮力自陰道穿過子宮頸,進入子宮,又從子宮的另一頭游向輸卵管。每一場遠征開始時,大約有三十億到五十億的精子參加,但婦女的生殖道卻不是很友善的環境,大部分的精子都死在半途。然而,精子若沒有經歷這數小時惡劣環境的考驗,將無法使卵受精,因為在精子細胞外,還包裹了一層由醣類及蛋白質構成的膜。若要使卵受精,必須先除去此膜,而子宮或輸卵管內的酵素顯然提供了這項服務。
如果卵在排出卵巢之後,一直未能受精,只會有十到十五小時的壽命。但精子在射精之後,卻可存活四十八小時,因此想要懷孕的話,最佳的時機將是排卵前四十八小時,到排卵後十到十五小時之間。未能受精的卵,最後會被在輸卵管裡來回巡邏的巨噬細胞所吞食,這隻怪獸還會毫不客氣,大啖那些還沒機會「一親芳澤」即已喪命的精子呢!
通常精子與卵的相逢地點是在輸卵管附近,而能抵達終點的精子大概只剩數百隻。精子的高死亡率是一般男性不育的基本原因,如果男性在每次射精時,產生的精子太少的話,最後將沒有足夠的精子可支撐到與卵相逢的時候,也無法執行後續的步驟。
用化學彈頭炮轟
第一個遇見卵的精子,並不見得能使卵受精,因為還得先移除包裹在卵外、堆疊如山丘般的卵丘細胞。
在每一個精子的頭頂,都攜帶了一枚化學彈頭,稱為「頂體」(acrosome)。一旦遇見卵,精子就引爆釋出化學彈頭中的酵素,分解卵丘細胞之間的膠著物。愈多精子參與炮轟的行動,就可有愈多的酵素釋出,最後終於使卵丘細胞散開,裸露出卵來。此時,原本擺動的精子尾巴則傾向一邊,以更強更猛的力量拍打著,而精子的細胞膜也進一步產生了某些尚不是很清楚的變化。
然而現在談受精仍嫌太早,精子還必須穿過包在卵外的第二層保護膜——膠質的「透明帶」(zona pellucida),以及通過膜下數千種「識別因子」(recognition factor)的測試。識別因子是一種如同受體的分子,具有只與某特定形狀的分子結合的專一性,可防止非我族類的精子使卵受精;而卵識別因子所尋覓的結合伴侶,即位於同種生物的精子表面。這種演化遺跡,使從前仍處於體外受精時期的人類始祖,以及現今許多生活於廣袤大海中的生物,只給予同種生物的精子受精的機會,避免虛擲寶貴的卵於茫茫大海中。
如果精子表面的蛋白,能與卵的識別因子完美契合,則彷若以正確的鑰匙開啟門鎖,獲得進入透明帶的許可證,並使兩者的細胞膜互相融合。在這步驟中,同樣需要雙方受體的參與。融合後的精子將停止泳動,任由卵的收縮纖維,將精子的內部結構整個吸入,只留下部分空殼在卵外,頗像剛蛻下的蛇皮。然而,受精過程並非到此為止,攜帶著父方染色體的精子需要再靜候一天,因為卵還有更重要的工作得先完成。
注入一股電流
卵此時的首要工作,是儘速關閉為精子而開的門,倘若不慎讓第二個精子進入的話,多出來的一套染色體將使卵陷入致命的迷惑中,並走向死亡之途。
為了防止這樣的事件發生,一旦第一個精子進入之後,卵馬上打開鈣離子通道,讓鈣離子迅速湧入細胞質,使原本帶負電的細胞膜轉為帶正電,從而產生一股靜電斥離其他精子。
這股電流同時啟動了卵的發育程式,使卵開始進行細胞分裂。在這過程中,並不一定需要精子的參與,細胞學家很早就學會了讓卵在未受精的情況下展開分裂。這類實驗較常使用其他動物的卵細胞,尤其是海膽卵,科學家可輕易動些手腳,就使母海膽同時產下數千個卵。然後加入少量的氯化鉀至試管中,卵就因電荷和酸鹼值的改變,而啟動發育程式。在短短數分鐘內,培養皿中的卵都宛如已受精般開始分裂,由一個細胞變為兩個細胞,兩個細胞變為四個細胞……。
在前幾回的細胞分裂中,分裂所需的裝備和指令,都完全可以mRNA的形式等待著。只要「受精」的電訊傳入,細胞便開始轉譯出蛋白質。無論是哪種機制,可以斷定的是:卵完全自備了初期分裂的指令,無需精子的協助。
然而,電荷所扮演的第一項功能——驅離其他精子,效果非常短暫,但也足以使卵在這短短數秒間,建立起更持久的屏障:卵會釋出一種類似樹脂的物質至透明帶中,使原本膠狀的透明帶,變得強固而難以穿透。
進入子宮前的準備工作
不過,此時來自精子和卵的遺傳物質,仍需等待結合的時機,因為此時精子雖具有來自父方的二十三條染色體,但卵卻尚未完成減數分裂,仍有四十六條染色體,是受精所需染色體數的一倍。
因此,當精子耐心在卵膜旁等待時,卵細胞則趕忙將染色體分配到兩個新核中,然後卵以不均等的方式分裂,將兩個新核分別送至一個非常小的細胞,和一個巨大的細胞中。小細胞最後會分解,而巨大細胞則保存了大部分的資源,以做為未來發育的資產。
在卵忙碌的當頭,原本位在精子頭部的染色體,也由緻密壓縮的狀態(和細胞分裂時,濃縮染色體的情形一樣),膨脹成原本體積的數倍。至於精子的尾部,則在這時開始逐漸解體。
生物學家原本以為精核與卵核內各有的二十三條染色體,此時終於可以結合形成正常人類細胞所具備的四十六條染色體。然而近來新的研究卻發現,精核與卵核並未馬上奔向對方,而是各自先行複製染色體,最後兩個各帶有四十六條染色體的細胞核,才在卵的細胞骨架及其他馬達分子的牽引下,逐步靠近。隨後兩方的核膜瓦解,所有的九十二條染色體都排列在同一平面(赤道板)上。就像有絲分裂一般,複製染色體自中節處斷裂,微管拉著染色體分向細胞的兩極走,而後在細胞的中央形成了一肌動蛋白環帶,將細胞膜從中束緊捏開,形成兩個遺傳物質相等的細胞,每一個都承襲了來自父親的單套染色體,和來自母親的單套染色體。
如果從精子進入卵的那一剎那開始算起,到此時真正建立具備新遺傳潛力的細胞,全程共耗時三十小時。胚體在接下來的數天,會繼續緩慢悠閒的邁向子宮,並且有許多準備工作得在真正的胚胎形成之前,著手完成。
第二天,由受精卵分裂而成的兩個細胞,繼續分裂成四個完全相等的細胞,再由四個細胞變成八個相等的細胞。由於胚體仍禁錮在堅固的透明帶中,無法進食與成長,因此每回的細胞分裂,都將細胞的體積切為一半;細胞都把大部分儲存的養分,轉換為分裂所需的新胞器和DNA。此時期的胚體又稱為「桑椹胚」(morula),因為胚體的外形就像桑椹的果實一般。
桑椹胚緻密期
在桑椹胚的八細胞時期,也正面臨一個新紀元的轉變。在此之前,細胞不具任何活性,它們的基因也從未有發布指令的機會,所有的發育大計,都是由早已存在卵中的酵素及mRNA所主控,在受精後的前三回細胞分裂中,引導所有程序的進展。
直到受精後第三天,胚體發展至桑椹胚時,這全新的基因組合才開始展現出一個新的遺傳實體,胎兒開始掌控自己的命運。然而不幸也是在同一時期,許多桑椹胚因表現了毀滅性的遺傳缺陷,而提早結束生命。根據專家的估計,至少有一半以上的受精卵,夭折於此一時期。
這些剛甦醒的基因,在接下重責大任後的首要工作,是引導協調各具獨立生命的細胞,組成一個超乎任何細胞之上的巨大結構,一個基本的細胞社會,一種很簡單的生物組織。如果利用顯微鏡觀察,原本清楚可見四個細胞在上、四個細胞在下的胚體,開始彼此緊密的癒合在一起,像是大而多瘤的桑椹,胚胎學家稱這種現象為「緻密化」(compaction),這是由於細胞膜上一種新合成的受體分子,會與相鄰細胞上的同種受體分子結合。隨著愈來愈多的受體分子安裝在細胞膜上,細胞間黏合的區域也逐漸增加,將細胞互相拉進,最後形成緻密的桑椹形。
到了胚體進行第四次細胞分裂時,新生的細胞首度顯現不同的特性,開始追尋各自的前途。這真是一個創世紀的突破,試想如果胚體細胞無法選擇不同的發展方向,那麼將沒有所謂的發育可言,更不會有多細胞生物的存在。若細胞一直持續不斷分裂、且維持相同的形態和功能,則只會產生一團形狀不定的同質組織。事實上,這團細胞也不可能長得太大,因為細胞一旦被其他細胞包圍住,就等於切斷了氧的來源,將窒息而死。這就是為什麼人體內的細胞始終與氧的來源(微血管),保持僅有少數幾層細胞的原因。
這些同質細胞是如何產生相異性的?又是如何得知自己該表現何種特質呢?為什麼皮膚細胞不會分泌消化液?為什麼眼睛細胞不會到處亂爬、吞噬入侵細菌?人體內的每個細胞配備了一模一樣的基因組,但每個細胞都只表現整個基因組的極小部分,顯然在發育的過程中,人體的六十兆個細胞都接受了高度特化的任務,而放棄了其餘的生物潛能。到底這是如何發生的?大部分的生物學家都一致認為,這正是現代生物學中最重要、最根本的問題,而我們已有一些初步的瞭解。
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