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2018-03-01「一」的力量—單細胞生物學
579 期
Author 作者
許惇偉／牛津大學生物化學博士，專長為表觀遺傳學、分子生物化學。曾任職牛津大學，目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。
細胞——虎克眼底下的微觀世界
雖然英國科學家虎克（Robert Hooke）不是透明玻璃的發明者、也不是玻璃磨鏡技術的先驅者，但在17世紀中葉，他卻是率先改進凸透鏡品質與組裝方式，並利用這個可以清晰放大物體影像，也就是後來稱之為顯微鏡的裝置（圖一），仔細觀察了許多微小事物，並詳實畫出許多平常肉眼無法觀察到的細微之處。
1665年，他整理了58幅精美的手繪圖，加上60個觀察報告，出版了《微物圖譜》（Micrographia）一書（圖二）。在這些精緻的圖片中，有一幅是他將軟木塞切片後的觀察，鏡頭下他看到軟木塞是由一個一個小格 子組成，他將這些小格子命名為細胞（cell，圖三），並臆測生物可以再拆解成細胞這種更小的組成單位。不過，更進一步的發現則得又多等到近200年之後，才由德國科學家施萊德（Matthias Jakob Schleiden）與許旺（Theodor Schwann）提出細胞是動植物個體中，最基本的功能單位。也就是說，多細胞生物是透過各種功能不同的細胞，彼此合作，才能成為完整的生物體。
一顆細胞的命運
看看我們自己，大家都是從一顆受精卵開始，經過40幾次的複製之後，就變成了30兆個細胞組成的多細胞個體， 而不是30兆個一模一樣細胞組成的個體。人體的多種器官是由不同組織構成，由組織就可再細分為神經、骨骼、肌肉、皮膚等數百種型態功能各異的細胞，因此如何由當初的單一細胞，何時、何處、如何轉變成這麼多種的細胞，進而彼此相互溝通，成就了多細胞個體的完整形成，一直是生物學界極想了解的問題。
然而，多年以來，礙於研究方法與生物材料的侷限，所謂細胞學研究，幾乎都是來自一大團混雜細胞的結果，因為這些細胞即使取樣自同一組織，但也不會全然相同，即使簡單如皮膚組織裡的一團細胞，裡面也可能包含形態各異的幾種細胞，甚至也會夾帶血球細胞，觀察到的結果其實是一群細胞的現象，即使你懷疑裡面有個細胞的功能是關鍵少數，它的特異性質也會被淹沒在其它多數細胞的背景性質中，無法被觀察到。所以，連這樣簡單的一團皮膚細胞都無法好好去講之間的從屬關係，要探討一隻小鼠，甚至是一個人身上每個細胞的來龍去脈，進而去了解一個生物體，那是不可能的任務。
從一顆蟲卵到成蟲——線蟲的細胞譜系表
1970年代，英國劍橋分子生物研究室的布倫納（Sydney Brenner）與蘇斯坦（John E. Sulston）的團隊，以 秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans， 圖四）為材料，利用幾年的時間，用肉眼詳細觀察，極有耐心地記錄線蟲如何由一個受精卵開始，用什麼樣的順序分化病發育成包含959 個細胞的成蟲的詳細過程（圖五）， 而這900多個數種型態的細胞就足以構成消化、 神經、肌肉和排泄等系統，共同執行複雜的功能。
畫出這個細胞譜系圖之後，該團隊的霍維茨（H. Robert Horvitz）就順利觀察到某種突變的線蟲，有些細胞分化到特殊階段就出問題，也因此理解了這些突變基因在細胞分化上的功能，並順利解析出細胞死亡部分的秘密，進而得到2002 年諾貝爾生理學或醫學獎。
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