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細胞:影響我們的健康、意識以及未來的微觀世界內幕
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內容簡介

一本從頭開始解說細胞是什麼,卻不是教科書的科普讀物! 細胞,生命體的基本結構單位,但你真的瞭解它嗎? 你知道人類是如何發現細胞構造的嗎?跟顯微鏡的發展有什麼關聯? 細胞的結構是什麼?它在人體內如何運作? 更重要的是—— DNA、RNA的轉譯、轉錄如何影響你; 人工改造基因體技術CRISPR是什麼?操控基因體可能嗎? 還有,攸關你我未來的個人化醫學與再生醫學的發展與可能難題有哪些…… 細胞是生命的基本單位,單細胞生物無所不在,包括我們身體的表面。人體是由特定細胞類型,排列成特定結構、並且彼此相互聯繫的不同自給自足的器官。我們的細胞可以被分離,並且在培養皿中生長。一個功能不正常的細胞可以是癌症形成的原因。細胞療法、幹細胞的潛能,以及許多現代的個人化和再生醫學,歸根究柢都是受惠於對細胞在分析、理解和操作上新方法的運用。沒有先瞭解細胞和細胞生物學,便無法理解現代生物醫學的研究和臨床實作。因此,本書將細胞視為人類健康和疾病的核心焦點,人體的內部運作以及現代醫學的主要治療目標。 《細胞》作者書寫與細胞相關的大部分知識,從DNA雙螺旋、孟德爾的遺傳學說到基因體的破解與操作、最新的人工改造基因體技術CRISPR,從細胞、器官到系統,以及將生物科技運用在現實生活上,甚至還介紹了觀察細胞的光學顯微術發展和最新技術。本書文字淺顯易懂又不拖泥帶水,讀來有趣且沒有門檻。 【名家推薦】 這本由約書亞.拉普波特博士撰寫的新書,透過作者廣博的知識以及深入淺出的文筆,讓即使是非科學專業背景的讀者,也能一窺快速發展的分子生物學技術以及光學顯微技術最新的進展。我自己也在分子生物學的部分學到很多新概念,受益匪淺,因此很推薦給對跨領域研究有興趣的讀者。 ——台灣大學物理學系教授 朱士維 精確地傳達了細胞生物學中傳統指標背後的歷史背景,以及我們近期在透視細胞內部運作方面令人振奮的進展。 ——醫學博士、英國華威大學華威醫學院微生物基因體學教授、《演化指南》作者 馬克.裴稜 細胞是對一幢建構生命的神奇大廈的概觀。約書亞.拉普波特精闢地介紹了細胞如何運作、人類如何發現細胞,以及對地球上生命的因果關係。每一頁都流露出作者對他所探討主題的熱愛。所以請仔細閱讀這本書,因為它可能會影響你! ——英國皇家科學院院士、英國伯明翰大學生物科學學院生物化學教授 史蒂夫.巴斯比 《細胞》是由一位年輕的細胞生物學家出於愛好的創作,他想要跟大家分享他所熱愛的主題。約書亞.拉普波特讓我們更清楚的意識到這個看似學術性的主題,在我們人性和未來的各個層面上是何等重要。他以一種嘲諷和娛樂的手法,把握現實生活中接觸到的每一個類比的機會,正確地闡明分子細胞生物學中尖端的概念……讓不是科學家偶爾也能夠理解複雜的觀念。約書亞.拉普波特在書中也很有技巧地避免疏遠生物學家,甚至讓他們也可以學習一些新的事實,見證本書內文中徹底、精心研究的本質。透過向讀者講述一連串引人入勝、跨越現代分子細胞生物學的誕生和各種發現的軼事,《細胞》彌合了高等教育史上最新的教科書和詞藻華麗、啟發性哲學散文之間的鴻溝,呈現一種令人愉悅的回味和比我們以前想像更重要的微觀世界。 ——博士、巴黎巴斯德研究院影像科學園區研究組組長兼主任 史賓塞.梭德

目錄

導讀 台灣大學動物學研究所副教授 丁照棣 推薦專文 更好的未來/台灣大學物理學系教授 朱士維 前言 為什麼要讀這本書? 第一部 什麼是細胞?以及它們如何運作?  第一章— 世界改變的那一天  第二章— 細胞導覽 第二部 遺傳密碼——作用、意義與人類的解譯  第三章— 分子生物學的中心法則  第四章— 生命解密:通往雙螺旋之路  第五章— 表觀遺傳學:超越中心法則  第六章— 僧侶的花園:孟德爾的獨立分配律與如何被拆解  第七章— 革命性的反應,或,如何在你的廚房裡做出DNA  第八章— 難題的拼湊:我們如何對DNA定序  第九章— 基因體和個人化醫學:進展、前景和潛在的問題  第十章— 操作基因體在學術、技術和倫理上的問題  第十一章—科幻小說和社會小說:基因的內涵 第三部:看到極微細事物的驚人科技  第十二章—教我們如何去看的水母  第十三章—我們如何看清楚活細胞的內部  第十四章—層光顯微術,或,選定平面照明顯微術中的光大都停在平面上  第十五章—超解析率顯微技術:一次只開一盞燈  第十六章—螢火蟲幼蟲如何發光?冷光成像的優點  第十七章—更多拍攝漂亮和啟發性照片的方法 第四部 生死攸關  第十八章—細胞如何死亡  第十九章—愛滋病毒的奧秘 第五部 細胞、器官和器官系統  第二十章—什麼是器官?為什麼我們會有器官?  第二十一章—腎臟:協同作用的細胞  第二十二章—大腦的運作、學習與它很難研究的理由  第二十三章—免疫系統:它如何捍衛我們,卻有時會攻擊我們 第六部 細胞生物學專業的好壞與未來  第二十四章—我們如何差一點就戰勝癌症  第二十五章—倫理、野心與其他不是最偉大的發現  第二十六章—奈米革命  第二十七章—金錢、權力、野心和知識的追求:對科學現狀的思考 參考書目 致謝

導讀

◎文/丁照棣(臺灣大學生命科學系)       惟天下之靜者乃能見微而知著。      ─宋.蘇洵      「細胞」,看似簡單的兩個字,卻蘊藏著深奧的秘密。它是生物體結構與功能的基本單位,是它將一堆看似沒有生命的東西集結在一個有限的空間裡協同作用,造就了現今的大千世界。亙古以來它默默地存在了數十億年,卻在350 年前才被首度發現。透過現代的科技,讓我們不再只是接受它改變的事實,而是去創造事實、改變未來。      人類基因體定序完成後生命科學發生革命性的進展,舉凡非編碼RNA 的大量發現與研究、快速定序方法的普及、CRISPR 基因編輯技術的建立,都將我們對生命現象的認知向前快速推進了一大步。翻開科學專欄,基因、病毒、細菌、幹細胞、大腦、老化、癌症等名詞充斥於字裡行間,搭電梯時鄰居告訴我基因檢測的重要性與他的個人經驗、同學會時討論著是不是該趁年輕先凍卵? 該不該花錢做產前非侵入性基因篩檢?上次健檢中癌症指數的結果、隨著年紀增加身體各項指標都亮紅燈⋯⋯。在這些生老病死的對話中,大家逐漸意識到,「生物老師都沒有教」、「生物課本都沒有寫」、「我為什麼高一讀完基礎生物後就再也沒學過⋯⋯」,如果你也有這些經驗,別太驚慌,生命科學在最近的十年的確是以子彈列車的速度前進,許多的進展也在今天或是不久的將來對我們的生活、健康與醫療有全面性的影響。如果你上一次閱讀生物的知識已經是五年、十年、甚至是二十年前的事,《細胞》這本書會是幫助我們銜接現代生命科學進展的入門寶典,也是未來與醫生溝通的敲門磚。      《細胞》以淺顯的文字將生命科學的基礎知識介紹給讀者,全書分為四大部分:第一部從生命的單元—細胞與細胞構造入門,簡單介紹了讀者需要的基礎生物學知識,第二部介紹遺傳密碼,從孟德爾遺傳、DNA 雙螺旋、中心法則、表觀遺傳、基因表達、DNA 定序、基因體、個人醫學,每個章節都言簡意賅,在短短的數十頁中涵括了遺傳學百年發展的主軸,最有趣的是作者在最後一章討論科幻小說與現實的差距,與基因密碼在法醫學上的應用。每一個章節都是一個獨立的主題,作者利用簡單的圖示與貼切的譬喻介紹過去一百多年我們在遺傳與基因體科學上的進展,讀者不需要深厚的生物學根基即可以輕鬆地閱讀,進而瞭解DNA 是如何的影響一個生命單元的運作與我們的健康。      第三部介紹顯微鏡下的世界,由於作者本人是一位整日與顯微鏡為伍的細胞生物學家,他從顯微鏡發明的簡史入手介紹顯微鏡的原理,由虎克最初的觀察與貢獻到現代成像技術的精進,其中作者清楚的解釋螢光蛋白引入顯微鏡下後,使我們可以一窺微觀分子的世界,與近代相關視覺化技術的應用,並說明顯微技術的極限與目前正在發展的解決方案。作者的專業素養使得他將這些技術的基本原理與應用敘述得十分清楚,由於這些章節中所描述的現象在專業領域的應用層面很廣,對生命科學研究的從業人員也非常有用。如果你對顯微鏡下的世界好奇,也想一窺鏡裡乾坤的話,書中對視覺化進展的詳述很值得細細研讀。如果你正在應用這些技術從事研究,希望對方法有更深入的認識,這些章節無疑是最佳的入門讀本。如果你非常想深入了解這些方法與應用,別忘了書末有參考文獻可以作為延伸閱讀。      第四部生與死,作者以細胞與病毒為例,介紹生命現象的根本問題—生與死。短短的二章中,深入淺出的介紹細胞凋亡與病毒的增生。第五部進入生理學的範疇,作者以器官為例,說明細胞間的溝通方式與協同運作。再以二章的篇幅介紹與我們息息相關的神經科學與免疫,作者在這些章節中陳述生物學的知識之餘也引導讀者了解這個領域的進展與我們的關係。作者在字裡行間點出大腦研究的困難度與重要性,呼應了世界各國都投注相當的研究經費在神經科學領域。最後一章介紹免疫系統的運作,點出免疫系統「水能載舟也能覆舟」的原因。      第六部科學與倫理的省思,喜歡科幻小說或電影的讀者常常有的問題是現實生活中可能發生嗎? 2015 年〈侏羅紀公園〉系列中的第四部電影作品─〈侏羅紀世界〉賣座之餘,大家好奇電影中呈現的生物科技有哪些是真的? 在學術界隨著基因編輯技術的發展,我們也開始關心與討論科技應用的規範。同時,科學研究競爭下造假醜聞讓社會對學術研究產生疑惑甚至不信任,這些浮現檯面的問題似乎凸顯了科學素養中欠缺社會責任的體認,我們太專注於科學的發現與重要突破,卻忘了科學研究的本質與我們被賦予的責任。作者以幹細胞研究著名的科學醜聞為例,點出現今科學訓練、同儕審查、期刊競爭的問題,小保方一夕成名已成海市蜃樓,留下的遺憾與反思希望對科學界有正面的作用。科技的發展所引發的可能危害不是今天才浮現的問題,分子生物技術上常用的限制酶在發現與應用於DNA 科技之初也是爭議不斷,雖然我們無法預知基因編輯科技的進展是不是會讓科技電影的場景實現,但是科學研究人員與社會的對話、溝通應該是自律與避免不必要恐慌的開始。      作者在最後一章,聚焦在追求真理與個人野心的討論,短短的五頁中從以自身觀察科學訓練現場的現況反思,分析基礎、轉譯與臨床研究的差異,再次以螢光蛋白為例強調基礎研究的重要性。作者費了不少筆墨點出學術現場的問題,並提出可能的解決方案。可是大眾對科學知識的理解也出現了重大的鴻溝,網路資訊的發達讓偽科學的傳播更迅速,學術與社會的對話似乎應該更加速、積極進行,科學的價值應該為每一個人正視,學術界在追求真理的浪潮下,也必須負起傳播科學知識的責任。瞭解基礎研究的重要性,認識生命科學最新發展、癌症治療與精準醫學就從閱讀這本書開始。

序跋

前言    為什麼要讀這本書?
     生物醫學領域的研究進展速度驚人,我們幾乎每天都能接收到新突破的消息。每個人都很關心新發現,因為這些消息關係到我們的健康和壽命。此外,這些消息不僅與疾病的成因、診斷和治療有關,有時候也提醒我們如何適度調整行為、飲食和生活方式。事實上,正是這些行為、飲食和生活方式的調整,也就是讓我們活得更久、更健康的方法,最容易遭到渲染、誇大和誤解。      不論在談論的是肥胖、衰老、傳染病、癌症,還是改善你的數獨能力,這一切都能歸結到細胞與它們所創造和調節它們的分子。所以,我撰寫本書的其中一個目的,是讓一般大眾更瞭解細胞和分子生物學的基本知識,以便對聽到和讀到的內容做出更嚴謹的判斷。另外一個目的,是引導讀者進入人類發現中最令人振奮和著迷的現代尖端科學的領域,特別是從一個擁有最強大的工具的顯微鏡專家,可以在細胞和分子尺度下真正觀察到事件發生的觀點來看。      要完全瞭解科學並不容易,將正確資訊傳達給一般民眾也並不簡單。大學、醫院和研究機構,現在都擁有媒體相關部門,發行時事通訊、新聞稿和推文,宣布他們單位內研究人員最新和最偉大的發現,因此,我們經常遭受旨在傳達聳人聽聞的科學突破精簡摘要的轟炸。同時,科學家現在必須具備傳達簡短又吸引人的簡明扼要簡報和「社區參與」的能力,以便快速且清楚地向非科學家傳達他們的研究目標和實驗成果。      大眾媒體是個推銷聳動新聞的行業,傾向於表達令人窒息的興奮事件,而不是精確的科學訊息。我們通常不會聽到實際研究成果的討論,反而是可能導致什麼後果的報導。大多數科學作家的主要本職是記者,他們不會因為偶爾的報導錯誤,或者聚焦在更多新發現的潛在後果,不去精確描述細節而受到指責。相反地,坦白說,大多數的科學家是很糟糕的溝通者。很少有科學家能夠精確地敘述自己的工作以及將重要的訊息說給非科學家聽,而不讓聽眾睡著。      我憑什麼認為我能做得更好?      我並非要你相信我的專業領域和我的研究部門是科學界裡最吸引人和最重要的,我想要的是提供一個根本的基礎和架構,討論生物醫學研究中各種有趣、重要和即時的主題。      身為細胞生物學家,我的觀點是,細胞是大多數疾病問題的主要根源。從以前到現在,細胞一直都是許多治療的標的。身為顯微鏡使用者,我認為很多我們所知的生物系統內部運作,都來自用顯微鏡直接觀察的結果。我們目前正處於使用顯微技術的黃金年代,很容易看到以前看不到的事物,顯微鏡現在不僅用於觀察分子、細胞、組織和生物體,還可以作為操作和探索生物醫學系統的實驗工具。      因此,我的目標並不是要描述我自己的研究,或提供一本有系統和綜合性的教科書;我只是想要傳達一些範圍廣泛又有趣,而且正確的科學訊息相關話題,為我們身為一個物種,更能瞭解所面臨最重要的生物醫學挑戰打下基礎。我希望這本書能提供一個開端,讓你能更深入瞭解生物學和醫學以及影響我們健康和福祉的發展。      我寫這本書還有另外一個非常重要的原因。雖然反智主義一直都存在,今天24 小時不斷播放的新聞,尖銳的文化部門和網路酸民的崛起,令人遺憾地讓「反科學」成為大家討論的一個重要因素。雖然懷疑主義是科學方法和科學研究自我修正本質的核心,信心、信仰和直覺等雖然在其他情況下也很重要,卻不是在科學結論和共識上站得住腳的反對觀點。無論是演化、氣候變遷還是疫苗安全性的問題,過多的關注—更不用說可信性—都被放在其他選項,而非「已經被接受,經過科學證明的觀點」方案。對未經實證確認為科學事實的情況下,對假相等值(false equivalence)傾向於同等對待是不合邏輯、不明智又危險的行為。      我希望,讀者可以透過閱讀本書,從專業人士的角度去看待科學,以及科學家所從事的特別相關和有趣的觀察。科學的方法包括找出問題,提出假設,然後設計某種實驗來檢視,進而理解大自然。實驗結果必須要能定量,並能通過統計檢測。在某些情況下,比如說推斷分子的結構—如DNA 雙螺旋的結構—則是一個未經真正測試的明顯假說。但是一個假設必須透過實驗證明時,使用的方法和取得的數據得要是可以對外公開,讓其他科學家可以評斷,並且在他們的實驗室裡重現結果。科學家毫無疑問也免不了會犯錯,數據可能被詮釋錯誤,實驗的設計和方法也可能會出錯。隨著時間過去,當很多科學家試圖回答相同類型的問題,正確的答案最終會出現,並獲得確認。做假會被發現,錯誤會被更正。      科學家不會參與大規模的串通行為。事實上,要讓在世界各地工作的科學家一起串連起來共謀的情形並不存在,因為你無法同時讓那麼多人保守任何一個秘密,更不用說是耍詭計—尤其是當下許多科學家之間還在相互競爭。科學家竭力爭取研究資金,並且在競爭的環境下工作,完全無法確定研究是否會成功,而且還經常感受到功成名就的壓力。因此,儘管少數幾起不法行為可能不會或至少不會立即被發現,但科學研究的競爭,可以確保最有趣和最重要的結果無法偽造,真相遲早都會被發現。科學家最喜歡證明其他科學家的錯誤;只有短視和不成熟的科學家,才會認為造假的結果永遠都不會被揭穿。      相對於某些反知識分子的大聲叫囂,我們科學家既不受製藥公司的控制,也不會故意隱瞞新發現或故意從事大規模、不道德或達到自我吹噓的犯行。那是因為我們通常不會從這種不道德和非法的行為中得到足夠的報酬,況且這些造假行為通常會得不償失。如果科學家被發現偽造數據,他們的研究結果會從科學紀錄中刪除,也必須承擔從學術期刊撤回論文的恥辱。即使已經獲得終身職,還是會賠上他們的工作和前途。另一方面,如果誠實的科學家由於出現了新數據而被證明以前的論點錯誤,他們頂多聳聳肩,接受這是進步必經的過程,然後回去繼續研究。      我希望讀者能藉由閱讀本書,意識到真正的科學是怎樣進行的? 以及為什麼應該提倡和支持科學,而不是把科學視為某種不可捉摸、神秘,可以暗中偏頗政治和經濟目標的黑魔法。      我是細胞生物學家和顯微鏡使用者。在過去20 多年的時間裡,我投注了相當多的時間在觀察顯微鏡下的細胞,希望在細胞的尺度上,去瞭解生命裡的不同基本層面。我研究了細胞如何排除廢棄物,細胞如何從外部攝取物質,以及細胞如何移動到其他地方,例如在傷口癒合時或癌症轉移期間。此外,我也參與了開發以顯微技術為主的實驗方法。這讓我堅信,使用顯微技術研究細胞,讓我們可以學到大量有關「生命、宇宙和所有的一切」,這是引用《銀河便車指南》(The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)作者、英國科幻小說家道格拉斯.亞當斯(Douglas Adams)的一句話。      為什麼要研究細胞?      細胞是生命的基本單位,單細胞生物無所不在,當然人體上也有。人體是由特定細胞類型,排列成特定結構的不同獨立器官,再彼此相互聯繫而成。我們可以分離細胞,並讓它們在培養皿中成長。疾病,如癌症,可能始於一個功能不正常的細胞。細胞療法、幹細胞的潛在運用,以及許多現代的個人化和再生醫學,歸根究柢都受惠於對細胞在方法學上的分析、理解和操作。要先瞭解細胞和細胞生物學,才能理解現代生物醫學的研究和臨床實作。因此,本書將細胞視為人類健康和疾病的核心焦點,人體的內部運作以及現代醫學的主要治療目標。      為何使用顯微技術?      我平常絕大部分醒著的時間,都盯著顯微鏡下的東西看,耐心地坐在黑暗的房間裡,盡可能以最合適的放大倍率觀察生命現象。在我的人生中,顯微鏡和它操作技術的快速發展,已經達到令人難以置信的地步。在過去近幾十年裡,我們見證了新型顯微鏡的問世、啟用,對這個領域的創始先驅者而言,新型顯微鏡的出現,就像是超級計算機,對如計算機之父阿蘭.圖靈(Alan Turing),或甚至對發明第一個算盤的古代美索不達米亞人一樣,是無法想像的。一直到最近,光學顯微鏡的解析度還受限在一微米,或最多不會超過四分之一微米的範圍之內。微米是百萬分之一米;人類頭髮平均直徑約100 微米。奈米(nm)是千分之一微米,大約是四個水分子排列在一起的大小。由於技術的進步,現在可以經常性地對活細胞中奈米大小的細胞結構進行研究。世界各地的研究人員如今可以對完整活細胞內部的結構和隔室進行成像,解析度比以前認為的實際限制高十倍以上。所以我們目前運用的不是真正的顯微技術,而是「奈米顯微技術」。      這是我們在探究生物系統的能力上,以及在細胞尺度上研究和瞭解生命方面的一個重大轉變。大多數細胞大小介於10 和100 微米之間;我們從17 世紀以來就能透過顯微鏡看到它們。新的技術為我們帶來的是對細胞組成進行成像的能力,其中許多組成的大小落在10 至100 奈米之間,並且在細胞內非常緊密地緊壓在一起。因此,這種解析度的提升,很明顯地改善了我們看見和理解生命基本過程的方式。      解析度與放大率不同。如果在電腦螢幕上拉近數位相片焦距(即放大)的畫面,解析度會逐漸變差,直到只能看到幾個大像素為止。但是,解析度越高—也就是說每平方英寸裡的像素越多—在圖像變得像素模糊之前,你可以放大得越近、並看見更多細節。在顯微技術裡,儀器的固有解析度是它能夠在視覺上、甚至在用相機獲取圖像之前,區分相鄰物體的能力。這是與放大程度相關,但不相同的顯微技術系統的性質。因為光像波般的性質,想要清楚分辨兩個相鄰的物體,它們實質上分開的距離必須要大於用來照亮它們的光波長的一半才行;否則光波會很有效率地結合在一起,讓兩個物體之間的界限變得模糊不清。      彩虹讓我們看到可見光光譜裡不同顏色的組成。這些不同的顏色代表特定的波長範圍。人的眼睛只能看到波長約400 到700 奈米之間的光波。同樣地,構成顯微鏡透鏡和濾光器的鏡片,無法有效傳遞在這個波長範圍底限(400 奈米)以下的紫外光。使用可見光範圍內的光,只能區分到彼此之間相距至少250 奈米的物體。可惜的是,細胞是非常繁忙和擁擠的地方,內部大多數物質都比這個解析度的極限還要更緊密地集中在一起。      讓我打個比方:想像你是來自外星球的訪客,在地球上方高軌道上的太空船裡漂浮。你的任務是從你所能獲得的圖像中,嘗試著去瞭解人類。如果你的儀器對人的影像所能取得的最佳效果是在他們和其他人或物至少距離十英尺時,那麼,你將會傷透腦筋;而且最後你可能會認為人類大部分時間都在爬山、慢跑和游泳,因為這些是你少數可以將人類與樹木、汽車、建築物和其他人類區分開來的僅有時機。不過往好處想,至少你可以去研究一間換過一間、逛酒吧喝通關,以及聚集在露天運動場的一群人。      假設你可以將人在DayGlo 幻彩螢光漆裡沾一下以標記他們,這樣至少可以把他們與周圍環境區隔開來。現在你可以看到這個人走在街上,或者駕駛一輛敞篷車,只是一旦在十英尺半徑內出現了一個以上的人,你就無法知道自己是在研究一個、十個還是一百個人。這就是光學顯微技術的缺點。我們所看到的東西通常比人更小,更重要的是它們彼此之間的距離更短,超出解析度的極限。如果你正在研究攜帶大腦中神經傳導物質的突觸囊泡,它們的長度有時候還會小於50 奈米,而且還非常緊密地擠在你正在觀察的神經元裡,你可能會想,如果你的解析度只能看到相距超過250 奈米的事物,那麼要如何知道在特定空間裡到底有多少個囊泡存在?      現在我們可以解決這樣的問題了。      提供優異解析能力的電子顯微鏡,已經問世近一百年了。由於電子波長的大小遠小於光子波長,看到奈米大小的解析度已經不成問題。然而,以電子顯微鏡有效率且令人信服地標記成像細胞中的特定物質或隔室非常耗時。首先,你必須拍攝和組裝大量的小照片。此外,它只能觀察已經過化學藥劑處理的細胞—例如,在成像過程中包埋在塑膠中,並切成非常薄的切片,也就是說,觀察的是死的細胞。螢光顯微鏡使用會吸收一種顏色的光,並發射出另一種顏色光的螢光團的分子標籤作為指標,以便我們標記任何細胞蛋白質、胞器或甚至化學反應的位置。現在,使用奈米顯微技術(或超解析率螢光顯微技術﹝super-resolved fluorescent microscopy﹞,如同2014年諾貝爾獎頒獎典禮上所稱呼的那樣),我們終於可以看到在次細胞層級裡到底發生了什麼事。也就是說,我們可以看到活細胞中的分子細節。      這真的是一項改革性技術,為細胞生物學的未來研究帶來很大的希望。瞭解疾病的分子基礎,現在真的是指日可待。不久之前還被認為是不可能達成的事情,未來透過物理學家、工程師、化學家、生物學家和電腦科學家的通力合作,也重現了生機。我們現在經常使用的螢光顯微技術,可以看到的解析度比以前認為已經是極限的解析度還高上十倍。螢光顯微技術當前最佳解析度大約是20 奈米,如果想要以市面上可以購得的系統來完成,它的難度差不多像是透過藍芽將手機連接到租賃車一樣。      那麼,我們接下來要怎麼做? 未來幾年內我們會不斷看到新的技巧和技術出現,其中有一些會像流星般一閃即逝,有些則會留存下來。科學期刊的頁面已經充滿了與不過是幾年前才出現的截然不同的圖像。幾乎所有的生物醫學研究人員現在都可以使用這項技術,它不是目前正在開發和實施的唯一革命性、以顯微技術為基礎的方法。      我們可以特別標記活細胞中的分子和隔室,也可以追踪活體動物中的每一個細胞。我們可以看到轉移性癌細胞離開腫瘤,去尋找另一個位點,建立一個新的繼發性腫瘤的過程。我們現在可以不斷拍攝和追踪一隻發育中的活蠕蟲或果蠅的細胞,而不會因為持續以雷射光照明而對樣本造成任何傷害。選定平面照明顯微技術(singleplane illumination microscopy, SPIM,也稱為層光成像),並不是一個新概念,而是現在提供對完整生物活體內所有活動、非常高解析度成像,而且不會造成任何損傷的市場現況。我們還可以使用新類型的光學裝置,完整「觀察」大型模式生物,如老鼠的大腦,也可以結合其他技術,允許我們看到單個神經元的放電,就像即時看到的閃電。我們可以分辨想要研究的任何兩種類型神經元之間形成的突觸,它也可以標記不管是連結在一起或非常接近的兩個蛋白質。一旦複雜的多細胞事件可以在活體動物內被看清楚,測量通過最細微血管的血流、研究血凝塊或動脈粥樣硬化斑塊的形成都將迎刃而解。搭配X光機、核磁共振攝影(MRI)和超聲波圖像之後,讓生物體、器官、組織、細胞和研究的結構產生更好的顯像能力,可以快速增進我們對細胞的理解。      過去十年來,我們在細胞成像能力上的發展,遠勝過之前的350年。且讓我們從頭開始說這個故事:在1665 年倫敦的皇家學會,有一位牧師的30 歲兒子,名字叫做羅伯特.虎克(Robert Hooke)的年輕人。

延伸內容

【推薦文】更好的未來:從細胞、分子生物學與光學顯微技術到醫學的道德議題
◎文/朱士維(臺灣大學物理學系教授)      諾貝爾獎得主Sydney Brenner 曾說:「Progress of science depends on new techniques, new discoveries and new ideas, provably in that order.」亦即若回顧科學史發展,很多時候新的技術發展,帶來新的觀測結果,從而產生新的想法與概念,因此新技術發展在科學上扮演舉足輕重的角色。這本由約書亞.拉普波特博士撰寫的新書,透過作者廣博的知識以及深入淺出的文筆,讓即使是非科學專業背景的讀者,也能一窺快速發展的分子生物學技術以及光學顯微技術最新的進展。我自己也在分子生物學的部分學到很多新概念,受益匪淺,因此很推薦給對跨領域研究有興趣的讀者。      對於沒有生物學基礎的讀者來說,本書的前半部可能會出現非常多不熟悉的專有名詞。建議讀者先嘗試看懂它們之間的關聯與主要功能即可(例如第三章作者用餐廳點餐類比DNA、RNA、蛋白質之間的關係),只要能夠瞭解細胞的大致結構以及重要分子之角色,應該就足以體會作者提及的新技術們如何對生命科學帶來革命性的改變。      但若讀者已經有細胞生物學基礎,對於第二部的內容應該很感親切。例如發現DNA 結構(第四章)、聚合酶鏈反應(PCR,第七章)、基因體定序(第八章)等近年重要的技術。九到十章介紹了一些基因科技最新的進展,例如最近火紅的人工改造基因體技術(CRISPR,第十章),值得一讀。      在我們受教育的過程中, 每個人都應該有機會用過光學顯微鏡(還記得觀察自己的口腔上皮細胞,或是跑來跑去的草履蟲嗎?)。如同作者引用虎克的話:「顯微鏡開拓我們視野裡新的世界和未知的領域」,第三部的進階顯微技術對於有興趣的讀者來說,將很具啟發性。在談顯微影像的時候,通常我們關注幾個重點,包括對比、解析度、深度、速度、與活體相容性等。一般會覺得解析度是最重要的,但是其實更重要的是對比。因為沒有對比,就看不到任何影像。所以作者在這部分的開頭第十二章談的就是螢光蛋白技術的發展,可說是活體動物研究最重要的對比方法之一。接著則是可提供軸向對比的新穎顯微技術(例如共軛焦、雙光子、層光照明技術等),讓深組織觀察變得容易。有了好的對比之後,第十四章則提及解析度提升的方法,使得細胞內部的奈米級結構變得清晰可見,相關研究也獲得2014 年諾貝爾化學獎之殊榮。      十七章與二十二章提到大腦研究以及光遺傳學的全新領域,作者指出現在是神經科學發展的關鍵性時刻,各種新的生物與物理方法結合,加上大規模資金的投入,有可能在不久的將來,讓人類對於我們身上最不被理解的器官—大腦,有更深刻的認識。臺灣在這方面的研究其實有領先世界的進展,有興趣的讀者可以參考清華大學江安世院士的研究成果,已經可以達到讓模式動物果蠅在完全自由行動不自覺的情形下,以光遺傳學的方法遙控特定神經元的活性,照光就啟動特定的行為,例如前進、後退、舉翅、搖頭等,非常神奇!      這本書以客觀的角度陳述科學的發展對人類的幫助,以及探討其中種種複雜的道德議題(例如篩選或加工新生兒基因,以及科學倫理的問題),正是我們現在需要的。讓一般大眾也能體會科學的美好與力量,同時能進行深刻的理性思考,而不是只跟著輿論起舞。      如同作者在第五章提到個體的經歷會透過基因表達傳遞給下一代,也就是說我們在細胞分子層次其實繼承了一個很大的人類集體記憶。在這個傳播快速的時代,網路上充斥著負面言論,這不僅影響我們的思考習慣,事實上也在將這樣的習慣遺傳給下一代。這或許也是為什麼從個人到集體,社會上的爭執似乎越來越多。如果我們能夠一起努力,將正面思考的能力、慈悲與愛的力量,透過細胞分子代代相傳下去,人類才能走向更好的未來。

作者資料

約書亞.拉普波特博士(Joshua Z. Rappoport PhD.)

獲有布朗大學生物學學士學位,以及紐約大學生物科學研究生院西奈山醫學院疾病和治療學機制計劃博士學位。在他的論文辯護後,拉普波特博士在紐約市的洛克菲勒大學細胞生物物理實驗室進行博士後研究工作。隨後,他獲聘為英國伯明翰大學生物科學學院的終身教職。 2014年,拉普波特博士回到美國,目前是西北大學芬博格醫學院(Feinberg School of Medicine)的高級顯微鏡中心和尼康影像中心主任,以及分子和細胞生物學系教師。拉普波特博士的科學觀點旨在開發和應用尖端顯微鏡來解決細胞生物學中的基本問題。 拉普波特博士和他的神經科學家妻子艾瑪,以及他們的狗克里斯生活在芝加哥。

基本資料

作者:約書亞.拉普波特博士(Joshua Z. Rappoport PhD.) 譯者:曹順成 出版社:商周出版 書系:科學新視野系列 出版日期:2017-12-05 ISBN:9789864773596 城邦書號:BU0139 規格:平裝 / 單色 / 304頁 / 17cm×21cm
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