【探索16-1】生、不生、亂生與重生

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講師|臺大生科系 陳俊宏教授
撰文|許楚君

雞蛋如何孵出小雞?一顆種子如何長成植物?人類為何能長成「人模人樣」,擁有相似的生理特徵?這些問題看似簡單,背後其實都隱藏了胚胎發育的複雜調控機制。然而在過往國高中的基礎生物課程中,胚胎發育學限於課程篇幅,卻經常被略而不談。對於多數人而言,關於生命的起始、發展、變形與再生,似乎都還是難以解釋的奧秘,也因此在大眾媒體中經常出現各種穿鑿附會的說法,讓生命背後的調控機制更添上神秘的面紗。

西洋古典音樂中的交響曲共有四個樂章,生命的發展也有如交響曲,有快有慢、有主調也有變奏,不同的樂章的曲式可能有所差異,也可能彼此呼應、彼此協調,共同組成生命整體複雜又和諧的樣貌。那麼,又是由生命體內的什麼機制,來指揮身體,演奏出這部交響曲?本期的「命孕交響曲」從最簡單的問題出發,試圖藉由交響曲的四段結構,將生命過程中的種種現象,劃分為「發生」、「錯生」、「重生」與「再生」四個不同的主軸:從開端的生殖、過程中失控的錯生與亂生、損傷後的再生機制,甚至完全喪失器官後再度移植的重生,經由現代生物學的眼光,八位講師們將由各自的專業切入,為聽眾勾勒出更繁複的圖譜。十月的第一場講座,便是由生命科學系的陳俊宏教授綜覽全局,為系列演講整體的結構安排做出較為全面的介紹,並導引出本期講座的核心概念。

●生命「發生」的起源

作為交響曲的第一樂章,生命孕育的開端乍看之下較為明快簡單,其實有相當複雜的運作機制,也蘊藏著生命過程最核心的奧秘。

在這個階段中,本次講座的討論將環繞著精生殖過程與胚胎發育的主題,由由中研院生物所研究員孫以瀚,與台大昆蟲系張俊哲教授擔綱演出。他們將分別在各自的兩場講座介紹這四個主要階段。張俊哲老師的講次,將介紹生物如何藉由內部的機制調控,在生殖的早期階段完整「燒錄」生理特徵;孫以瀚老師則就後兩個階段,討論個體發育形成複雜構造時,身體細胞、個體組織及器官在空間與時間上整合分布的過程。

生殖看似只是精卵結合的「偶然」,實則並不只是這麼簡單。首先精子與卵子的產出與相遇就已相當困難。以人類來說,成年男子每天雖可排出數億的精子,女性從青春期到更年期,一個月只會由其中一個卵巢排出卵子;僅有5-10微米的精子,必須從子宮頸到輸卵管,穿過比它長三萬倍的距離。在這過程中精子必須找到真正排卵的輸卵管而不迷路,在找到卵之後,又必須努力鑽過卵的保衛細胞,才能達成精卵結合。正常情況下,多數的精子會在子宮頸到跋涉與穿過保衛細胞的過程耗盡能量,最終只會有一隻精子順利進入卵。這個過程並不只是巧合,而是有繁複的控制機制。以珊瑚為例,每年春天珊瑚大量的排經、排卵,數目之多足以讓海水變色,但在這麼多種珊瑚之中,同種類的珊瑚精卵可以找到彼此;同樣的,飄散在空氣中的花粉在遇見正確雌蕊,才會萌發花粉管,而不會長出雜交種。

而在精卵好不容易結合之後,還須經過胚胎發育、細胞分裂、模式形成與形態發生才可能發育成一個個體。而我們要問的是,胚胎如何在十個月內,從一個細胞分裂出一兆個細胞?也就是說,平均一小時之中,每次的細胞分裂就必須複製30億個一模一樣的DNA鹼基對,還要製造出2萬種蛋白質,將它們放到正確的位置,轉成270種功能各異的細胞。

由此還可以進一步追問,這些細胞如何發育成各自不同的形態,而形成每種生物不同的特徵?譬如人的手腳不會長出蹼,是在胚胎發育之時就已設定手指間的細胞會死亡。人也不會長出老虎或鱷魚一樣尖銳的長牙。細胞內部的程式,會控制身體繼續生長、或者停下。這個過程顯然並非由機率所決定,因此多數的螺都擁有右旋紋路,多數的招潮蟹則是有較大的右螯。細胞的精密調控,也讓看似左右對稱的人體內部,可以擁有不對稱的血管與內臟。

生命的誕生看似雜亂隨機,其實是有隱然的秩序,也有固定的機制在背後調節。

●「亂生」的變奏

即使有如此精密的控制機制,生長的過程也可能出錯、失準,而造成超乎一般「設定」之外的生理特徵而形成疾病。生物也可能出現先天畸形的「錯生」,或者如後天病變、環境影響引起的「亂生」。譬如蟹足腫患者的組織損傷之後,後續會有不正常修復及增生,導致修復後的皮膚無法如初始平滑;而神經纖維瘤 與疣狀表皮發育不良症患者,也會長出多餘的組織,即使割除之後仍會不斷生長。

而在這些「變奏」之中,又可以發現,不同個體之間可能會有類似的表現,譬如唐氏症患者們沒有親戚關係,卻可能因遺傳變異擁有相近的外型特徵;又或者後天的感染,也可能使如茲卡病毒導致的小腦症患者具有類似的病癥。

在這些病例中,如果能找出失準的原因,或許就能進一步地找到方法精準調控,繼而控制疾病,甚至延長人類的壽命。

相關的三場講座,也將邀請到醫學院的謝豐舟、蕭信宏與張正琪幾位講師,針對談人類先天性缺損、傳染病導致的病變,與癌細胞的發生,來討論生命在計劃之外的「變奏」。

●「再生」與「重生」的秘密

如果損傷的組織器官可以重新生長,我們是不是就不必承受那麼多病痛呢?這個主題所追問的是,人類是否也擁有強大的再生能力,可以讓我們從傷害中自我修復?

人的內臟、血管其實都有我們過去不會注意到的再生能力,像是紅血球每隔120天就會代謝一次,胃壁細胞則會在每兩天新生以防止胃液的強酸破壞。然而比起渦蟲與水螅等構造較簡單的生物,人類的再生能力其實並不強大,前者擁有碎屍萬段之後也能再生的強大再生能力,即使是蠑螈與海星,也可以在切除肢體後重新生長出來。

然而生物的復原機制並不是那麼完美。從演化的角度來看,這些構造簡單的生物雖有強大的再生能力,免疫力卻比複雜的生物低得多。在免疫及再生之間總是難以兩全,陳俊宏教授就將在壓軸的場次中介紹生物如何在這兩端交換取捨。

假若組織器官無法再生,又該怎麼辦?在台大肝膽外科主治醫師柯明志主講的場次中,他將以器官移植為題,解釋器官在損害之後如何藉由借來的器官「重生」。

做為整首交響曲的第三與第四樂章,再生與重生也呼應著第一樂章的主題,卻又與第一樂章互相補充。在多數人的認知中,「再生」彷彿重演了部分的發育過程。再生是經由幹細胞分化為不同類群細胞的為特化細胞,與胚胎發育兩者都會使個體精準發育出適切的身體細胞。而在發育及再生的過程中,血管的新生則扮演不可或缺的角色,幫助不同位置的細胞得以交換物質,使身體得以循環。台大生科系李心予教授的講次,即是以血管的生長切入,解釋多細胞生物體內的「道路」怎麼建構起來,繼而成為所有生理機制的「基礎建設」。

生命從來就不簡單,在本期講座中,由各領域專家共同演奏的這部命「孕」交響曲,看似單純,實則具有繁複的過程,藉著探索「發育」的內在機制,我們或許將能找到生命最核心的主調,解開更多的秘密。

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本文整理自:105/10/1由陳俊宏教授在臺大思亮館國際會議廳所主講之「生、不生、亂生與重生」演講內容。

 

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