Transcript 0011人之生與染色體 - 中央研究院生物多樣性研究中心

佛光人文社會學院
自然科學史
第11章
(A)人生的開始
(The beginning of human life)
楊棋明 博士
中央研究院生物多樣性研究中心
Email: [email protected]
Tel: 02-27821258#612, 613
FTP: http://biodiv.sinica.edu.tw/cmyang.htm
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人類生命誕生的最初一週-- 3億精子競逐1個卵子
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人類生命誕生的最初一週-- 3億精子競逐1個卵子
直徑：0.1mm
長度：0.05mm
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由於許多精子的犧牲，生命才首次得到約束
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三億分之一生的(永續)機會
生：1/300,000,000
失去活性的精子
被WBC吃掉的精子
死：29,9999,9999/300,000,000
RBC
WBC
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在變成受精卵之後，自然界的淘汰仍不斷的進行著
細胞核融合(Cell nuclear fusion)
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受精卵分裂過程：1→2→4→816 ∞(3x1010)
自對稱到不對稱，自無限到有限
自單一到分化，自永生到必死
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生命由此開始—當精子遇到卵子
瑞典攝影家奧納特·尼爾森和美國攝影家亞歷山大·特西亞拉斯
拍攝的有關胎兒的傑作，它們將引領我們進入一個奇特的世
界—身體的內部，細胞、各種組織以及我們如何被孕育、如何
在母親的體內生長並最終來到這個世界上。這一切顯得如此神
奇和美好，它讓人們感到與自己的身體從未有過的親近。
精子。大約有3億精子
可能會進入陰道。
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只有一個精子可能穿過重
重障礙，使卵子受精，最
終製造出一個胚胎。
卵子經過大約15釐米長的、狹窄
的輸卵管向子宮遊動，它周圍的
營養細胞像一串串美麗的光環圍
繞著它。很快，它將與精子相遇
並開始受精的過程。
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一個精子試圖進入卵
子的瞬間
此時精子的頭已經鑽進去了，
我們還可以看到它的中部和
尾部，它就像一個不斷旋轉
的鑽頭，在尾部拍打的驅動
下，努力進入卵子。
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第1週
在受精之後幾小時之內，
受精卵開始分裂。1周以
後，這個小圓球將自己
附著在子宮壁上。
受精後8天
胚芽完成“著陸”，
微微嵌入子宮內膜。
此時它分裂發育為
幾百個細胞。
第32天
胚胎比小瓢蟲小，但
最初
的心臟已形成，眼睛
和血
管具雛形
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佛光人文社會學院
自然科學概論
第11章
(B)人類染色體
(Human chromosome)
楊棋明 博士
中央研究院生物多樣性研究中心
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人類染色體(Human chromosome)
我們的身體有超過一百萬億個細胞，每一個細胞內的核心(nucleus)含有23對
染色體，每一個染色體是由一卷長長的去氧核糖核酸(DNA)組成，這22號染
色體是23對染色體中比較小的一個；正常的人有22對染色體，和一對X染色
體(女性)或Y染色體(男性)。
染色體是載有人類的遺傳基因，它影響我們身體內細胞的一切活動，因此，
了解染色體的組成，可以幫助科學家找出治療各種疾病的方法。
人類的遺傳基因碼(genetic codes)共計有30多億基本成分，是代表染色體內
去氧核糖核酸的四個氮基的不同排列次序，這些四個氮基是由四個英文字
母表示：A(腺膘呤，adenine)、T(胸腺嘧啶，thymine)、C(胞嘧啶，cytosine)
和G(鳥嘌呤，guanine)；22 號染色體內包含3300萬組基本成分，亦即代表這
四個氮基的3300萬個不同的排列次序。
從電腦分析，科學家發現22 號染色體內有一千多個基因(genes)，其中包括
和精神分裂症(schizophrenia)有關的基因；我們的細胞有6 萬至10萬個基因 。
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人類染色體(Human chromosome)
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有絲分裂與減數分裂
(Mitosis and Meiosis)
2n
減數分裂
2n
2n
n
有絲分裂
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染色體與基因
染色體
基因
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染色體突變(Mutations of chromosomes)
點突變
丟失
位移置換
倒置
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減數分裂過程染色體的重組與交換
染色體複製
染色體交換
染色體重組
配子
生殖細胞
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人類染色體(Human chromosome)
性染色體
(sex chromosome)
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染色體、基因、DNA
(Chromosome, gene, DNA)
細胞核
細胞
染色體
基因
DNA
蛋白質
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基因的形狀：DNA雙螺旋(DNA double helix)
豐富多彩、引人入勝的生命現象，歷來是人們最
為關注的課題之一。在探索生物之謎的歷史長河
中，一批批生物學家為之奮鬥、獻身，以卓越的
貢獻揚起生物學“長風破浪”的航帆。今天，當
我們翻開群星璀璨的生物學史冊時，不能不對
James Watson與Francis Crick的傑出貢獻，予以格
外關注。50年前，正是這兩位科學巨匠提出了DNA
雙螺旋結構模型的驚世發現，揭開了分子生物學
的新篇章。如果說十九世紀達爾文進化論在揭示
生物進化發展規律、推動生物學發展方面，具有
里程碑意義的話，那麼，DNA雙螺旋結構模型的提
出，則是開啟生命科學新階段的又一座里程碑。
由此，人類開始進入改造、設計生命的征程。
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開創生命科學的黃金時代：DNA
去氧核糖核酸(DNA)是核酸的一類，因分子中含有去氧核糖而得名。
DNA分子極為龐大(分子量一般至少在百萬以上)，主要組成成分是腺
嘌呤去氧核苷酸(A)、鳥嘌呤去氧核苷酸(G)、胞嘧啶去氧核苷酸(C)和
胸腺嘧啶去氧核苷酸(T)。DNA存在於細胞核、線粒體、葉綠體中，也
可以以游離狀態存在於某些細胞的細胞質中。大多數已知噬菌體、部
分動物病毒和少數植物病毒中也含有DNA。
除了核糖核酸(RNA)和噬菌體外，DNA是所有生物的遺傳物質基礎。生
物體親子之間的相似性和繼承性即所謂遺傳信息，都貯存在DNA分子
中。
1953年，James Watson和Francis Crick描述了DNA的結構：由一對多核
苷酸鏈相互盤繞組成雙螺旋。他們因此與倫敦國家工學院的物理學家
弗雷德里克·威爾金斯共用了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。
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DNA吊飾
聯合報95.3.18.(六)
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DNA雙螺旋結構
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DNA的發現：開創生命科學的黃金時代(1)
1953年4月25日，年輕的美國科學家詹姆斯·沃森和英國科學家法蘭西斯·克裏
克，在英國《自然》雜誌發表不足千字的短信，正式提出DNA（去氧核糖核
酸）雙螺旋結構模型。與許多具有劃時代意義的科學事件類似，這一成果問
世之初沒什麼人理會。那一年，大英帝國女王盛大的加冕禮、人類征服珠穆
朗瑪峰的壯舉，都有更多理由吸引媒體和公眾的注意力。
半個世紀過去了，女王登基大慶等已很難再構成大新聞，但DNA卻受到不同
尋常的禮遇。世界範圍都有不同形式的活動，慶祝ＤＮＡ結構真相大白50周
年，美國國會還特別決定將今年4月25日定為全國“DNA日”。
這一切並不是偶然的，DNA結構這一分子生物學最基本的謎團揭開後，釋放
出的能量驚人。
“沒有什麼分子像DNA那樣動人。它讓科學家著迷，給藝術家靈感，向社會
發出挑戰。從任何意義說，它都是一種現代的標誌。”最初發表沃森等人論
文的《自然》雜誌，在今年早些時候出版的DNA結構發現50周年特輯中如此概
括。
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DNA的發現：開創生命科學的黃金時代(2)
發現雙螺旋結構，為基因工程奠定了基礎：50年來，在研究DNA過程中湧
現出的基因複製、基因組定序以及聚合酶鏈式反應(PCR)等技術，直接促
進了現代生物技術產業的興起。一些高產、抗病蟲害的優質轉基因農作
物產品，已經走上了餐桌。“國際獲得農業生物技術應用服務”機構的
調查顯示，2002年，全球種植轉基因作物的面積達到5800多萬公頃，目前
已有16個國家的600萬農民靠種植轉基因作物為生。
發現雙螺旋結構，使當代醫學受益良多：分子生物學使科學家能更深入
地研究基因等遺傳因素在疾病發作中的作用，為設計藥物提供了新的手
段，同時也催生了基因診斷以及基於DNA技術的治療新方法。用基因工程
技術開發出的干擾素、胰島素和抗體等，成為近年來增速最快的新型治
療手段。
發現雙螺旋結構，在人類生活的眾多層面打下印記：利用DNA充當“福爾
摩斯”偵破懸案或進行身份認定，早已不是什麼稀罕事。據報導，僅美
國2002年實施的DNA親子鑒定就有30多萬例。在美國，迄今已有120多人
依賴DNA法醫鑒定技術為自己洗刷了不白之冤。
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DNA的發現：開創生命科學的黃金時代(3)
發現雙螺旋結構，甚至在社會文化領域產生影響：簡潔、優雅和深邃的雙螺
旋結構，成為當代科學的最佳“形象代言人”、藝術家們靈感的泉源。它登
上超現實主義畫家達利的畫布，變成雕塑、卡通人物和玩具，雙螺旋玻璃瓶
裝的“DNA”品牌香水已於幾年前問世。按照英國牛津大學藝術史學家肯普的
比喻，DNA分子是我們這個科學時代的“蒙娜·麗莎”。
雙螺旋發現50周年紀念日前夕，多國合作的人類基因組序列圖宣告提前繪成，
人體DNA中30億個鹼基的排列順序，已經成為各國科學家免費取用的資料。
從Watson和Crick發現DNA以4個“字母”的形式記錄遺傳信息，到讀出人類生
命“說明書”，這就是半個世紀來生命科學的發展速度。已逾古稀之年的
Watson為此感慨：“在1953年，我根本不可能夢想到我的科學生涯，能夠跨
越從DNA雙螺旋到人類基因組的整個路途。
今天，人們沒有理由不相信生命科學正迎來黃金時代。隆重慶祝DNA雙螺旋
結構模型提出50周年，不僅是為了品味一段傳奇歷史，也不僅是為了驚歎科
學進步的偉力，在更大的意義上，它作為一種儀式，寄託著人們對於這個黃
金時代的憧憬——徹底破解生命奧秘，搞清人類的來歷；澄清各種疾病的病
因，實現醫學研究從對症下藥到根本上預防的轉移；活得更健康，最好能長
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命百歲……。
DNA的發現：開創生命科學的黃金時代(4)
然而，“每個黃金時代都有緊張、危險和恐懼這類成分。”美
國歷史學家斯塔夫理阿諾斯在《全球通史》的後記中提醒說。
生命科學的黃金時代也同樣如此。隨著對生命奧秘的瞭解的深
入，人類如何理智地控制改造自然的衝動、安全地運用科學技
術，已經成為受到矚目的問題。基因歧視、基因隱私、基因鴻
溝、設計遺傳上完美無缺的嬰兒、複製人、生化武器等話題，
體現了當前人們對生命科學的擔憂。
但科學探索的進程不會因一些暫時的困難而止步。DNA雙螺旋
結構發現50年來，生命的很多秘密已經被解開，但剩下的秘密
更多。一切不過只是剛剛開始。“今天比我起步的時候有更多
的新的疆域，”Watson在接受美國《時代》週刊採訪時曾表示，
“未來幾百年中，還會有足夠多的問題需要人們去應對。32
基因隱私和基因歧視
是基因研究和應用面臨的兩個嚴重問題
回顧歷史，我們看到，DNA雙螺旋結構的發現，使分子生物學
得以誕生。50年來，生命科學和生物技術迅速發展，人類基因
組圖譜和水稻基因組圖譜先後繪製成功，繼1996年複製羊桃莉
問世後，各種複製動物紛紛誕生，而一些轉基因動植物也已經
走進尋常百姓家。這一系列重大成果是人類獻給新世紀的一份
厚禮，標誌著生命科學又向縱深邁進一步，它將推動基因組定
序工作、功能基因的研究和基因技術的應用，從而推動整個生
物技術的發展，也將對科技發展、經濟發展以及整個社會產生
深遠影響。此外，以包括人自身為物件的生命科學研究，給人
類的未來展示了美好的前景，在迎接生命科學不斷取得的新突
破的同時，如何充分考慮到這些突破可能帶來的負面影響、讓
它們最大限度地造福人類，已成為新世紀之初擺在我們面前的
一項迫切課題。
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單元越多，形成自給自足系統的機會越高
生物之所以有機會演化為長鏈結DNA其實是數學上的一個
定律。
那就是，參與的單元越多，它們可以形成自給自足系統的
機會越高。有趣的是，這樣的變化不是漸進的，而是跳躍
的。也就是，在某個閥值(Threshold)之下，形成自給自足
系統的可能是0，而超過該閥值之後，可能性跳躍到1。
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敬請指教
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