第 1 單元 生命是甚麼
授課教師 羅竹芳
【本著作除另有註明外，採取創用 CC 「姓名標示－
非商業性－相同方式分享」台灣 2.5 版授權釋出 】
Biological and technological scales compared Biological and technological scales compared
Guillaume Paumier, Philip Ronan, NIH, Artur Jan Fijałkowski, Jerome Walker, Michael David Jones, Tyler Heal, Mariana Ruiz, Science Primer (National Center for Biotechnology Information), Liquid_2003, Arne Nordmann & The Tango!
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社會支持基礎科學的研究，並不只是為了滿足科學家的好 奇心，納稅人都有權利來分享這些知識。
追求實用的同時，非科學家也不要忘了，知識本身也是無 價之寶，並不一定要有特別的用途，因為人類天生就充滿 了好奇心。
拿到研究經費的科學家，正是替我們作尋找答案的工作；
當他們獲得新發現時，我們也不禁要跟他們一起歡呼。
科學的成果，就像交響樂、詩賦、繪畫、或其他偉大的作 品一樣，滋潤並昇華了我們的生命。
出自：『 序 - 知識是無價之寶，一粒細胞見世界，倫司柏格著，涂可欣 譯，第一～二頁，天下遠見出版社股份有限公司， 2005 年。』
一粒細胞見世界 作者
一粒細胞見世界 作者 - - 倫斯伯格 序言精 倫斯伯格 序言精
華 華
倫斯伯格 倫斯伯格
臺灣大學 羅竹芳
生命的組織層級 生命的組織層級
灰頭飛狐不是狐
Daniel Vianna Mr.Rocks
生命的組織層級 生命的組織層級
生態系層級 ( 尤加利森林
)群聚層級 ( 尤加利森林
)族群層級 個體層級
系統層級 器官層級
組織層級 細胞層級
分子層級
Arnaud Gaillard
TTaylor TTaylor
Daniel Vianna Mr.Rocks Daniel Vianna Mr.Rocks
Daniel Vianna Mr. Rocks Daniel Vianna Mr. Rocks
臺灣大學 羅竹芳 臺灣大學甲殼類病毒實驗室編輯部
探索生物科學
(Discovery Science)
提出具重複性觀察與測量數據 詮釋自然現象
由假說推動的科學
(Hypothesis –Driven Science) 對一個問題提出可能的答案 ( 假說 )
，
再設計實驗以測試 假說的正確性生物科學研究方法二大主流
灰頭飛狐與幼狐
Mnolf Mnolf
生命科學的研究方法 生命科學的研究方法
觀察
提出問題
提出假說
推論
進行實驗以測試 假說的正確性
實驗結果與預期結果一 致，再測試更多的推論 以確立假說的正確性。
實驗結果與預期結果不 一致，提出假說及推論
，再測試之。
臺灣大學 羅竹芳
觀察 : 我的手電筒不亮了！
問題 : 為甚麼手電筒不會亮？
假說 : 手電筒的電池已經沒電了。
推論 : 更換電池後，手電筒會亮
。
實驗 : 更換新的電池。
預期結果 : 手電筒應該會亮！
臺灣大學 羅竹芳
生物科學的研究例子
生物科學的研究例子 : : 斑馬蜘蛛與雪莓 斑馬蜘蛛與雪莓 蠅 蠅
斑馬蜘蛛 (a jumping spider) 雪莓蠅
Mnolf
Mnolf 臺灣大學 羅竹芳
觀察 :
1. 當競爭者存在時，斑馬蜘蛛會搖擺牠們的腳。
2. 某些特定的蠅類，當斑馬蜘蛛接近牠們時，牠們也會 搖擺他們的翅膀，並且其翅膀上的花色樣式很像斑馬 蜘蛛的腳。
問題 :
1. 蠅類翅膀的花色樣式其功能為何？而其搖擺行為的功 能又為何？
假說：
翅膀的花色及搖擺翅膀的行為會增加蠅類的生存機會。
推論：
假若這個假說是對的。
實驗：
將實驗組中蠅類的翅膀用染劑全染 ( 以致於沒有花色 )
。
預期結果：
那麼斑馬蜘蛛猛撲到實驗組蠅類的頻率會高過對照組的
正常蠅類。蜘 蛛 跳 到 蠅 體 上 之 百 分 比
對照組 實驗組
臺灣大學 羅竹芳細菌類群
（ Domain Bacteria ） （真細菌）
古菌類群
（ Domain Archaea ） （古細菌）
共同始祖
（ Universal ancestor ）
真核類群
（ Domain Eukary a ）
（真核生物） 原 生 生 物
動 物
真 菌
植 物
生物有那些形式
生物有那些形式 ？ ？
細菌 細菌 ( ( 細菌界 細菌界 ) ) ：原核生物 ：原核生物
古細菌 古細菌 ( ( 古細菌界 古細菌界 ) ) ：原核生物 ：原核生物
Halobacteria sp. strain NRC-1, each cell about 5 μm in length.- 古細菌古首次發現了在極端
環境下，如火山溫泉 古細菌首次在極端環境下被發現，如火山溫泉
蕈 蕈 ( ( 真菌 真菌 ) ) ：真核生物 ：真核生物
臺灣大學 王重雄
原生生物：真核生物 原生生物：真核生物
柑橘類柑橘類
植物 植物 / / 動物：真核生物 動物：真核生物
臺灣大學 羅竹芳
臺灣大學 羅竹芳
樹獺的習性
樹獺的習性
((影片 影片
2’33)2’33)臺灣大學 羅竹芳
生命的共同特徵 生命的共同特徵
臺灣大學 羅竹芳
臺灣大學 羅竹芳
臺灣大學 羅竹芳
臺灣大學昆蟲所 王重雄 臺灣大學 羅竹芳
臺灣大學 羅竹芳
我天生就好奇，喜歡有 所解釋。
如果你想對生命有所解 釋，就一定得從生命的 分子基礎著手。
I was born curious. I liked explanations.
And so if you wanted an explanation for life, it had to be about the molecular basis for life.
James D. Watson
Steve Jurvetson Steve Jurvetson
在自然的情況下，只有活細胞才能合成 醣類、脂類、蛋白質和核酸，所以是生 命現象特有的分子
細胞以此四類有機分子為基礎，經由代謝 作用製造出細胞結構與功能有關的有機化 合物
細胞內所有分子所產生的化學反應的總合 即產生命現象
生命分子 生命分子
使用顯微鏡 使用 顯微鏡 讓我們得以窺睨細胞的世界 讓我們得以窺睨細胞的世界
─
生命的基本單位 細胞 ─ 生命的基本單位 細胞
一種原生生物 -
A freshwater paramecium under phase contrast illumination.
Original uploader was Nebarnix at en.wikipedia Original uploader was Nebarnix at en.wikipedia
臺灣大學 羅竹芳
SQ P
SP
R
R: round shape P: polymorphous
shape
SP: spindle shape
SQ: squamous shape
黑角舞蛾 細胞之基本形態 黑角舞蛾 細胞之基本形態
臺灣大學 羅竹芳
動物細胞 動物細胞
真核細胞胞器依功能分為四類 真核細胞胞器依功能分為四類
臺灣大學 羅竹芳
細胞生命現象 細胞生命現象
細胞的四大類胞器形成工作團隊，
大家協力工作產生了細胞的生命現象。
細胞是產生生命現象的最小單位。
人體的細胞
人體的細胞
((影片 影片
5’48)5’48)細胞分裂與增殖 細胞分裂與增殖
Minami Himemiya Minami Himemiya
臺灣大學 羅竹芳
什麼是我們的遺傳物質？
什麼是我們的遺傳物質？
New York State Department of Health New York State Department of Health
1952 1952 年 年 Alfred Hershey Alfred Hershey 和 和 Martha Chase Martha Chase 的實驗 的實驗
Graham Colm Talk
華森
(James D. Watson)
克里克
(Francis H. C. Crick)
Marc Lieberman Marc Lieberman
1.
羅莎琳‧法蘭克林的第 51 號 DNA 照片是公認「有史以來拍得最漂亮 的 X 光繞射相片之一」。照片在 她不知情之下，輾轉傳道華森手上
，他一眼便瞭解這是 DNA 螺旋的 明證。
2. 1953 年，華森與克里克解開雙螺
旋結構，史上稱之為 20 世紀生物 學最重大的發現之一。克里克曾如 此說明：「我們之所以能摸索出
DNA 的結構，是基於韋爾金斯、法蘭克林以及與他們合作的人員所 提供的 X 光繞射相片 」。
……3. 1962 年，華森、克里克與威爾金
斯榮獲諾貝爾生理醫學獎。但無人 知曉羅莎琳的貢獻。 1958 年羅莎 琳卵巢癌早逝，此事她也從未為自 己辯解。遲至 1968 年，華森在其 自傳《雙螺旋》講述這段歷史。
4.
當代中相關的科學家各自都對解開 雙螺旋結構存在不同的貢獻，科學 家彼此間的互動，亦值得借鏡。
羅莎琳‧法蘭克林
(Rosalind Elsie Franklin )
DNA DNA 是雙股核酸分子形成雙螺旋結構 是雙股核酸分子形成雙螺旋結構
(Double helix) (Double helix)
局部化學結構 絲帶模型 電腦模型
Structure created with Chemtool,
exported to SVG, then further edited with Inkscape.
Structure created with Chemtool,
exported to SVG, then further edited with Inkscape.
Original uploader was Richard Wheeler (Zephyris) at en.wikipedia
臺灣大學 羅竹芳
DNA DNA 複製不易犯錯 複製不易犯錯
具有偵錯、修正系統
臺灣大學 羅竹芳
DNA DNA
((影片 影片
2'16)2'16)臺灣大學 羅竹芳
轉錄作用
轉譯作用
核酸語言 蛋白質語言
蛋白質合成作用 蛋白質合成作用
細胞核 粗糙內質網
溶解小體
細胞膜
高爾基氏體 核醣體
多核醣體
臺灣大學 羅竹芳
將遺傳訊息 由 DNA 傳 到 RNA
將遺傳訊息 由 RNA 傳 到蛋白質
基因
核酸語言 vs 蛋白質語言
臺灣大學 羅竹芳
核酸語言 核酸語言
DNA 語言是由 ATGC 四個字母 ( 代表四種核 苷酸 ) 編寫，每三個字 母組成一個字，所以可 以寫出 4
3(64 個字 )
由這 64 個字編寫出一大
本書，內容都是指令訊
息，指導細胞進行所有
反應，以產生生命現象
蛋白質語言 蛋白質語言
藉由信差分子 (messenger RNA) ， DNA 將其指令訊 息傳給蛋白質，決定每一蛋白質的胺基酸排列次序，
進而決定其功能
( 將核酸語言轉變為蛋白質語言 ) 蛋白質由 20 種胺基酸聚合而成，因此蛋白質語言是 用 20 個字母編寫 ( 每一字母代表一種胺基酸 ) ，每 一種蛋白質都有其特有的胺基酸排列次序
蛋白質是指令的執行者，構築細胞及發揮細胞生理、
生化功能
突變 突變 (mutation) (mutation)
正常基因
鹼基替代
鹼基刪除
臺灣大學 羅竹芳
鐮刀形紅血球 正常雙凹圓盤形紅血球
臺灣大學 羅竹芳
演化與天擇
適者生存
突變：演化原動力 突變：演化原動力
Elembis Elembis
所有生物的共同特徵 所有生物的共同特徵
1.
有秩序：
所有的生物皆具有複雜的組織性。
2.
具調節性：
生物體的調節機制可使其內在環境維持在恆定狀態
(homeostasis)。
3.
生長與發育
4.
能量利用
5.
對於環境的感應能力
6.
具生殖能力：
所有生物皆有其獨特 DNA ，且 DNA 可以進行精確複製。
7.
演化能力：
從四十億年前生命誕生開始，演化的改變一直是生命獨特的中心特
徵。
人類的”生”
人類的”生”
((影片 影片
8'15)8'15)思考議題：人文與科學
接受演化的概念後，對於我們人類在生物圈中的 定位，會造成什麼樣的影響？對於傳統東西方宗 教的觀點有何衝擊？
如果一個人的行為或人格特質經檢查後被認定為 是「由基因異常所造成」，那這個人應該要為他 的行為負責嗎？ ( 例：情緒化、慣竊、內向…… )
聽過了 DNA 發現的歷史，你現在對科學家的行 事以及科學社群中的互動模式跟過去有何不同的 感覺？有何新的體悟？
接受演化的概念後，對於我們人類在生物圈中的 定位，會造成什麼樣的影響？對於傳統東西方宗 教的觀點有何衝擊？
如果一個人的行為或人格特質經檢查後被認定為 是「由基因異常所造成」，那這個人應該要為他 的行為負責嗎？ ( 例：情緒化、慣竊、內向…… )
聽過了 DNA 發現的歷史，你現在對科學家的行
事以及科學社群中的互動模式跟過去有何不同的
感覺？有何新的體悟？
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參考書目
Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A.
Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson (2008). Biology . Eighth edition.Chapter 2~5. San Francisco: Benjamin Cummings.
Peter H. Raven, George B. Johnson (2002). Biology. 6th edition, Chapter 14. Boston Burr Ridge: McGraw Hill.
James D.Watson,Andrew Berry. (2003).DNA.Random House, Inc., New York.
Julie Clayton and Carina Dennis.(2003). 50 Years of DNA. Palgrave Macmillan
楊玉齡譯 (1997) 、波拉克 (Robert Pollack) 著。 DNA 的語言。台北市：
天下文化出版社。
楊玉齡譯 (1997) 、馬杜克斯 (Brenda Maddox) 著。 DNA 光環背後的奇
女子－羅莎琳‧法蘭克林的一生。台北市：天下文化出版社。
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參考影片
DISCOVERY 影集。協和國際多媒體股份有限公司出版。 人體的構造
( DVD ) －人類的”生”
DISCOVERY 影集。協和國際多媒體股份有限公司出版。 新世紀醫學 4
人體透視－人體的細胞
美國國家地理學會製作。協和國際多媒體出版 哺乳類進攻植物界－樹懶 的習性
百禾文化 生物學：研究生命的科學第二集：細胞 - 構造及功能。
