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分子生物學在現代的生命科學領域中，佔有極重要的地位。運用這套工具，科學家逐漸撥開生物世界的層層面紗，解開其中蘊藏的生命奧秘，推動現代醫學與生物科技的進步與發展。不過，對大部分的學子來說，分子生物學仍是帶有相當的神秘色彩，為何這套工具可以逐漸改變生物學的面貌，一般的教材似乎無從找到確切的答案。本文以討論分子生物學的定義作為開始，強調精準的操縱單一基因是這套科學工具的主要特點，與簡單而嚴謹數學邏輯法則結合後，讓生物學家們能開始理解基因與其產物如何參與各種複雜的生命現象。

什麼是分子生物學？

我們猜測「定義不夠明確」，應該是一般人對分子生物學感到神秘的重要原因之一。早在1930 年，就有人提出分子生物學這個名詞，但是當時人類連去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid； 以下通稱DNA） 的雙股螺旋結構都尚未發現，因此當時的分子生物學一詞所涵蓋的範圍，與今日所代表的概
念應是大相逕庭。隨著科技的進步，人類對於DNA、核糖核酸（ribonucleic acid； 以下簡稱RNA）、蛋白質的了解已不可同日而語。於2011 年的此刻，維基百科給分子生物學的定義是：「探討生物活性的分子基礎的生物學分支〔註一〕」（http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_biology）， 並強調「這是個結合遺傳學和生物化學，橫跨生物和化學兩領域的科學。分子生物學追求對細胞中不同系統之間交互作用的理解，包括DNA、RNA 和蛋白質生物合成之間的關係，以及了解它們之間的交互作用的調控方式」。乍讀之下似乎言之成理，然而第一段的簡單定義真的夠明確嗎？

圖一：分子生物學的中心法則與細胞功能的關係。方格內為一般物種的分子生物學的中心法則，灰色的箭號代表分子序列資訊流動的方向，這些箭號旁的字詞是資訊流動的機制的名稱。下方的空心箭號代表中心法則與細胞功能的連結，與功能有直接相關的巨分子為蛋白質。

在這個的定義中，分子基礎（molecular basis）沿用了化學中分子（molecule）的概念。分子一詞，的確可以涵蓋分子生物學研究中的要角DNA、RNA 和蛋白質等巨分子（macromolecule）（圖一），但這名詞也同時涵蓋了生物世界中的另一族種類龐雜的小分子，如各種營養素、代謝物等，也同時代表各種人造的小分子，如化學藥物、毒物等。以一般的直覺判斷，後兩者的研究，應非分子生物學的主流範疇；而目前的定義因含混的使用了「分子」一詞，可能已自動納入這些性質不同的研究。再仔細的推敲，這句話的含意似乎與化學的原理「結構與功能的對應關係」（structure-function relationship）頗類似，作為生物化學的定義可能還合理些。因此這個定義可能無法完全貼近現代的「分子生物學」所代表的意涵；既然這個定義不夠明確，我們究竟應如何定義分子生物學呢？

以實務操作來說，分子生物學究竟與原來的生物學有什麼不一樣？

若想界定「分子生物學」的範圍，可能應該先從了解其實驗操作的特色下手。不論是哪個領域研究， 最重要的是依循「對照實驗」（controlled experiment） 的精神， 設計好「實驗組」（experiment） 與「對照組」（control 或scientific control；http://en.wikipedia.org/wiki/Scientific_control）的配對。
為能依據實驗結果直接導出合理的結論，兩組實驗於設計時，除了改變單一變因（variable）外，最好所有的其他變因必須維持完全相同。而這個單一變因，在目前台灣的課程綱要中稱為「操縱變因」；而其他完全相同的變因，則被稱作為「控制變因」。依據這樣的實驗設計，一旦配對的實驗結果不同，研究者便可直接推論「操縱變因」是導致「實驗組」與「對照組」結果不同的主因。再更簡單的說，「實驗組」與「對照組」僅有一個「變因」的差異，是好的設計實驗的要件。由於生物系統的複雜度遠高於物理與化學系統，這樣的實驗設計的精神，在生物學的研究尤其重要。而分子生物學與傳統的生物學的差異，正是在能操作的「變因」的種類上已有本質上的變化。

分子生物學誕生前的各類生物醫學研究，科學家能測試的「變因」，不外乎各類的物理特性，如溫度、氣壓、滲透壓、電場、磁場等，加上化學性質如酸鹼度、濃度等，還有各類的小分子如化學藥物、毒物、營養素、代謝物等，有時會嘗試操縱大如整個細胞、組織、器官、個體等宏觀系統作為變因。而1980 年代後分子生物學的各類科學技術的最重要貢獻，應是讓人類開始能精確的操縱系統內的單一基因的活性。在此所提到的基因，是指攜帶信息的DNA 序列，為基本的遺傳單位，其訊息流的終點產物可為RNA 或是蛋白質。在傳遞信息時由於受多種機制調控，單一基因可能產生多種產物。

多年來的分子生物學研究，早已導出一中心法則。這個法則主要用來描繪生物系統中生物聚合物的序列資訊的傳遞順序，首先闡釋如何以整個DNA分子為單位複製下一個DNA，並將DNA 資料一個一個基因為單位拷貝成訊息RNA（messenger RNA, 以下通用為mRNA）， 再利用mRNA 上的資訊作為模板則可以合成蛋白質（圖一）（http://en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecular_ biology）。若以一個基因作為單位，「DNA合成mRNA 以合成蛋白質」的概念就是：DNA 是基因的原始模板〔註二〕，mRNA 是基因資訊的媒介，蛋白質是基因的終極產物；亦即基因活性的測度，最終應以蛋白質的活性的測量為準。而分子生物學技術的特色，正是依據基因序列資訊流動的原則，
改變DNA、RNA、蛋白質三層面中的任一相關分子，以操控其產生的蛋白質在細胞中的活性。

除了建立精確操縱單一基因活性的方法學，再搭配嚴謹的數學邏輯原則，更能凸顯這門科學的獨特優勢。傳統的生物學實驗雖然可探討其「變因」與細胞功能的關係，但由於這些變因影響細胞的程度往往過於廣泛，改變的DNA、mRNA、蛋白質的種類過多且不夠專一，常需設計繁複的實驗，才能勉強推導出單一基因與細胞功能的模糊關係。因此與傳統生物學做比較，分子生物學其實提供一重要捷徑，讓我們能夠以相對簡單的方式，利用比較嚴謹的邏輯原則，精確探討特定基因與細胞功能的關係。

分子生物學加上數學邏輯原則後，如何推演特定基因與細胞功能的關係？

這裡所討論的數學邏輯，就是充分條件與必要條件的檢查，原是高中數學課程所涵蓋的內容，原用於判斷兩個語句之間的相互蘊涵關係。這裡先簡單回顧該課程的內容。以兩個語句A與B 做為例子，當我們發現「若B 成立時，A 必成立」（即若B則A）或「若A 不成立，B 必不成立」（即若非A 則非B）時，就可以下「A 是B 的必要條件」的結論；如「男性」是「單身漢」的必要條件、「大於40 歲」是「當總統」的必要條件，是幾個語句邏輯的例子。另一方面，當我們發現「若A 成立時，B 必成立」（即若A 則B）或「若B 不成立，A 必不成立」（即若非A則非B）時，就可以下「A 是B的充分條件」的結論；如「單身漢」是「男性」的充分條件、「當總統」是「大於40 歲」的充分條件，是相同的例子的另一面的說法。換言之，數學邏輯中的充分條件、必要條件的描述，是可以互調位置重新轉述的。

以「對照實驗」原則設計的生物實驗的操作，其實也可以循著上述的原則下結論。以「變因A」與「細胞功能B」做為例子，當我們以實驗證明「若使A不成立，B 便不成立」，就可以推論：「變因A」是「細胞功能B」的必要條件；另一方面，當我們以實驗說明「若使A 成立，B 便成立」時，就可以推論：「變因A」是「細胞功能B」的充分條件。生物實驗中會刻意的控制「變因」使之成立或不成立，「細胞功能」則是實驗想要測量的結果，一般會先描述A 的操縱方式，再描述B 的實驗結果，接著就可推論「變因」是否為「細胞功能」的充分或必要條件，也就定義了「變因」與「細胞功能」之間的邏輯關係（圖二）。但不得任意轉位互換，應是與語句含意的演算的最大差異。其原因為實證上的限制，譬如當我們能進行「若使A 成立，B 便成立」生物研究時，並不代表我們也可以作「若使B 不成立，A 便不成立」的實驗；反之，當「若使A 不成立，B 便不成立」的實驗可行時，並不意謂著「若使B 成立，A 便成立」的實驗也一定可行。其次是倒果為因的謬誤，當實驗用以探討「變因」是否為「細胞功能」的充分或必要條件時，就是探討兩者的因果關係。由於前者為原因，後者為結果，前後順序一旦調換，就像是倒果為因的描述，極不合理。

圖二：對照實驗設計下變因操作與細胞功能結果的組合的各種邏輯結論。讓變因A 成立的實驗，就是用來檢查它是否是細胞功能B 的充分條件；讓變因A 不成立的實驗，就是用來檢查它是否是細胞功能B 的必要條件。

其實上述的原則的確可以普遍應用於檢查各類變因的生物學實驗，而下面我們將以分子生物學常看到的數據做為例子，基因是檢查的變因的重要部分，運用上面的原則後，便可以推斷基因與細胞功能的關係。倘若我們拿細胞C 與去除基因A 後的同一細胞作實驗，於加入刺激X後兩細胞的細胞功能B 的變化如圖三所示。除了實驗（三）的活性變為十倍，其餘的活性都只有一倍左右。依照「對照實驗」
的原則與數學邏輯法則，實驗結果的解析與結論為：

一、以實驗（一）當作對照組、實驗（二）當作實驗組―由於基因A 拿掉時，B 並未隨之變化；亦即「變因―基因A」不存在時，「細胞功能B」依然成立。因此推論：基因A 並非不受刺激的細胞C 的細胞功能B 的必要條件〔註三〕。

二、以實驗（一）當作對照組、實驗（三）當作實驗組―當加入刺激X 後，細胞C的活性B有明顯的倍數變化；亦即「變因―刺激X」存在時，「細胞功能B」的活化成立。因此推論：刺激X 是細胞C 的細胞功能B的充分條件〔註四〕。

三、以實驗（三）當作對照組、實驗（四）當作實驗組―於不帶基因A 的細胞C加入刺激X，觀察不到活性B的增加；亦即「變因―基因A」不存在時，刺激X 誘發的「細胞功能B」不再成立。因此推論：基因A是細胞C接受刺激X時的細胞功能B增加的必要條件〔註五〕。由上面的例子可以看出，只要是以對照實驗的精神來設計的生物學實驗，的確可用邏輯法則探究的變因與功能的關係；而變因是基因或其產物時，便可以邏輯法則判斷基因與細胞功能的關係。

圖三：呈現常見的分子生物學的實驗結果的柱狀圖。橫軸是實驗組別，縱軸是細胞功能B 的變化倍數。通常將未受刺激的野生型細胞的細胞功能當作一倍作為參考值。此實驗檢查了基因A、刺激X 兩個變因與細胞功能B 的關係。

……【更多內容請閱讀科學月刊第519期】
註一：原文為The branch of biology that deals with the molecular basis of biological activity。
註二：大多數生命皆以DNA 為模板，但仍有例外，如反轉錄病毒（retrovirus）以RNA為模板。
註三：英譯Gene A is notnecessary for basal activity in cell C.
註四：英譯Growth factor X is sufficient to stimulate activity B in cell C.
註五：英譯Gene A is necessary for the activity B stimulated by growth factor X in cell C.

參考資料
1. Astbury WT（1961）Molecular Biology or Ultrastructural Biology?. Nature190 （4781）: 1124
2. Crick F （1970） Central Dogma of Molecular Biology. Nature 227（5258）: 561-3