「生命」到底是什麼?又是如何開始的?

「生命」到底是什麼?又是如何開始的?
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我們想讓你知道的是

我們所缺乏的是關於「生命」的一般定義,而此定義與生命其底層的化學物質無關。是否存在著即使有我們未知的生命型態,也可以體現出可識別的生命象徵的普遍性原則呢?

惡魔僅是生命資訊的冰山一角。生物資訊遠遠不止於優化能量分配的功能;它經常扮演管理者的角色。考慮胚胎從受精卵發育的過程(圖2),它在每一個階段都受到由多種物理和化學過程進行精細調整的資訊網路的監督,所有這些安排使得最終複雜的形式得以正確的結構和形態出現。

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圖2:人類的胚胎,長38 毫米,8至9 週 。 (圖片改編自 Anatomist90, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.)

利用基因調控網路中的資訊流來模擬胚胎形成(embryogenesis)的嘗試已經非常成功。艾瑞克・大衛森(Eric Davidson)和加州理工學院(Caltech)的同事,從化學上刻畫出了控制海膽早期發育的基因網路的完整連接圖。通過追蹤資訊流,該團隊編寫了一套計算機程式來逐步模擬此基因網路的動力學模式。在每一個階段,他們將計算機模擬結果與觀察到的海膽發育階段進行比較,並獲得了極佳的吻合度。研究人員還在計算機模型中考慮因特定基因靜默(gene silencing)而造成的作用,以預測發生突變的胚胎會發生什麼事;他們的模型結果再次與實驗觀察相符(ref.9)。

細胞具化學梯度的全球定位系統(GPS):細胞透過利用貝式概率(Bayesian probabilities)的方式,從基因表達水平中提取出最佳的位置資訊

普林斯頓大學(Princeton University)的Prof. Thomas Gregor和Prof. William Bialek所領導的團隊,一直在研究果蠅發育的初期階段,尤其是獨特的形態特徵最初是如何出現的。在發育過程中,細胞需要知道它們在三維空間中相對於其他細胞的位置。那麼它們又如何能獲取該位置資訊呢?

人們很早就知道,細胞具有一種基於化學梯度的全球定位系統(GPS),而化學梯度又受到特定基因的表達程度所調節。普林斯頓大學的研究團隊最近將注意力集中在四種所謂的「溝紋基因(gap genes)」上,這些基因透過在身體構造上形成間隔或條帶,爲胚胎的形態奠定基礎。研究人員發現,細胞透過利用貝式概率(Bayesian probabilities)的方式,從基因表達水平中提取出最佳的位置資訊,從而達到驚人的1%準確性。研究人員還進一步將貝式優化模型應用到突變種上,並正確地預測胚胎變化後的形態(ref.10)。

現象學模型(phenomenological models):「資訊」是產生真實生物體的逼真模擬的一種方便替代品或標籤

這些分析提出了一個關鍵性的哲學問題,直指物理學和生物學概念上不匹配的問題核心。基因調控網路的研究和貝式演算法的應用,目前被視爲現象學模型(phenomenological models),其中「資訊」是產生真實生物體的逼真模擬的一種方便替代品或標籤。但是馬克士威的惡魔想像實驗給我們的啓發是,資訊實際上是一種物理量,它可以深刻地影響物質的行爲表現。夏農所定義的資訊不僅是一個非正式的參數,相反地,它是一個基本的物理變量,在熱力學定律中佔有一席之地。

夏農強調,他的資訊論純粹談及資訊流的效率和能力,並不包含所傳達資訊的含義。但是在生物學中,意義或環境至關重要。如何才能從數學層面上探得指導、監督或環境資訊的性質呢?有一種方法是分子生物學中所謂的「中心法則(central dogma)」,這是由法蘭西斯・克里克(Francis Crick)在他和詹姆斯.華生(James Watson)推論出DNA的雙螺旋結構大約十年後所創造出的一個術語。中心法則認爲,資訊是單向流動的,從 DNA 到製造蛋白質的機器,再到生物體。我們或許可稱之爲「由下而上」的流動。

生物學中的「資訊傳遞」是雙向過程

如今已知道生物學中的資訊傳遞是一個雙向的過程,涉及反饋循環和由上而下的資訊流動 (請參閱George Ellis 於《Physics Today》的文章,2005年7月,第49頁)。例如,如果生長在培養皿中的細胞過於擁擠,它們將停止分裂,這種現象被稱之為「接觸抑制作用 (contact inhibition)」。此外,國際太空站(International Space Station)上的微生物實驗表明,細菌在零重力環境下會表達的基因可能與在地球上不同。顯然,系統層面的物理作用力會在分子層級上影響基因的表達。

細胞極化:在生長發育、傷口癒合和器官再生中扮演著關鍵性的角色

塔夫茨大學艾倫發現中心(Tufts University’s Allen Discovery Center)的Michael Levin 和同事們的工作,爲「由上而下」的資訊流,提供了一個經典的範例。Levin 的團隊正在探索,對於控制一些生物體的生長和形態而言,系統層級的電圖樣(electrical patterning)如何能像機械力或化學圖樣(chemical patterning)一樣重要。健康細胞是電極化的,它們透過泵出離子以在細胞壁兩側維持幾十或幾百毫伏的電位差。相反地,癌細胞則傾向於去極化。

Levin 的團隊發現,在多細胞生物中,組織內的細胞極化圖樣在生長發育、傷口癒合和器官再生中扮演著關鍵性的角色。透過化學方法破壞這些電極化圖樣,該團隊可以產生出新的有序形態(ref.11)。

真渦蟲屬扁蟲(Planarian Flatworms)可以作爲方便的實驗對象。如果將一隻正常的扁蟲切成兩半,頭部的一半會長出一條新的尾巴,而尾巴的一半會長出一個新的頭部,從而形成兩隻完整的扁蟲。但是,藉由改變傷口附近的電極化狀態,可以製造出具有兩個頭部或兩個尾巴的扁蟲,如圖3所示 (請參閱《Physics Today》,2013年3月,第16頁)。

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圖3:這隻雙頭扁蟲是透過操縱電極性所產生出來的。當這隻蟲子被切成兩半時,它會繁殖出更多的雙頭扁蟲,就好像是形成了一個不同的物種。儘管它與正常的單頭扁蟲有著相同的DNA。整個身體的體型呈現(body plan)以某種方式表觀遺傳給了後代。(改編自T. Nogi 等人, PLOS Negl. Trop. Dis. 3, e464, 2009)