生命科學的 上下五百年
國立臺灣科技大學 莊 榮 輝
2020 1
C15
C22 達爾文演化論 C14 遺傳機制
Anthony Isola (2019) A Teachable Moment: The 1 Minute and 17 Second Financial Plan
如 果 把 地 球 五 十 億 年 歷 史 看 做 小 24 時 的 鐘 面
那 麼 人 類 一 直 要 到 最 後 的 一 分 十 七 秒 才 出 現
04:00 生命出現
14:08 單細胞
23:59 人類出現 22:56 恐龍
2
機 率
(耶蘇 4BC)
2020
-3000 -2000 -1000 0 1000
(孔子 551BC)
(蘇格拉底 470BC)
(文藝復興)
(殷墟甲骨文)
(古埃及文明)
撐開歷史的時空
人文
核心
(莎士比亞 1564AD)(大航海時期)
3
(春秋戰國)
(古羅馬) (古希臘)
(黑死病)
-1000
(釋迦牟尼 566BC)
回頭看五千年
(蘇美文明)
軸心時代
2000 1000 0 -1000 -2000 -3000
DNA 雙螺旋構造 (1953)
↓
達文西
Hippocrates: 古希臘醫學
漢 春秋戰國
唐 商周 古埃及
古希臘
4
波義耳：元素理論 Pythagoras: 畢氏定律
張仲景 傷寒論
Eratosthenes: 測量地球圓週 亞里斯多德：五大元素
1500
五百年 歐洲黑死病
文藝復興時代
古羅馬
Mendeleev: 週期表 Uomo Vitruviano
醫師誓言 埃及石板畫
有文明就有疾病
元素 → 週期表 → 小分子 → 大分子
5
十 六 世 紀 十 七 世 紀 十 八 世 紀 十 九 世 紀 二 十 世 紀
2000 1900 1800 1700 1600 1500
DNA 雙螺旋 (1953) 顯微鏡與微生物 牛頓：自然哲學的數學原理
板塊運 動理論
達爾文：演化論 孟德爾：遺傳學 Mendeleev
第一張週期表 哥白尼：天體運行論
李時珍：
本草綱目
Jenner: 牛痘疫苗
人類基因解碼 細胞學說
博物學
現代生物學
[五百年大事]
波義耳：元素理論
明
清
利瑪竇 湯若望 南懷仁
分子生物學
文藝復興時代
二 十 世 紀
二 戰
2000 1980 1960 1940 1920 1900
DNA 雙螺旋構造 (1953) 電子顯微鏡 (看見病毒) 狹義相對論
量子力學
抗生素：磺胺藥、青黴素 提煉胰島素
胰島素構造 廣義相對論
發明電晶體
Apple II 微電腦
酵素是一種蛋白質 Krebs: 細胞代謝
分子疾病：鐮型血球症
人類基因解碼 分子遺傳學
DNA
RNA 蛋白質
生物學中心教條 Central Dogma
現代生物學
摩根：果蠅染色體
量子物理大冒險
數位時代大進擊
Merge 生物資訊學
分子生物學
元素↓ 週期表
↓ 小分子
↓ 大分子
↓ 遺傳分子
↓
數位分子
6
無限小的世界
無限大的世界
第一個電晶體
染色體分裂中
小分子
→
大分子數位無所不在
世界百大發現
(10) 牛頓運動定律 (9) 微生物
(8) 青黴素
(7) 細菌理論 (6) 遺傳法則
(5) 地動說 (4) 週期表
(3) 質能互換定律 (2) 廣義相對論
(1) 演化論
7
時空格局
自然科學 跨越時空、展現實相帶給人類無比震撼
通宇宙、貫古今
自然科學家 歷險時空、目睹驚異藏身於無限反思
1 達爾文演化論 2 孟德爾遺傳學 3 基因與雙螺旋 4 生命中心教條 5 看未來五百年
8
演化論 The Origin of Species: Charles Darwin 達爾文
1954 諾貝爾化學獎
馳騁古今的智者
1831~1836 小獵犬號之旅 (到 Galapagos) Discovery: Great Books 物種源始論
W
IKIPEDIA
Natural selection 天擇
C22
20’ (13’)
The Origin of Species
by means of natural selection
Preservation of favoured races in the struggle for life
9
由自然環境選擇生存者
小獵犬號之旅奠定演化論的基石
演化論
W
IKIPEDIA
物種演化乃經由天擇實現 (1) 變異產生多樣
(2) 保留優勢物種 (3) 天擇沒有方向
為何有如此多的不同物種？
他們之間兼有相似與變異。
長久時間下累積細微變化，
可能逐漸造就優勢新物種。
概念可能不是最早的
也不是最早提出
鬣蜥 象龜
文鳥
科 學 有 時 很 難 說 誰 是 原 創
長頸鹿的脖子為何那麼長？
(很像 Big Bang 理論的反推方式)
年 輕 的 壯 遊 與 見
識
Grand
Tour 10
機
率
A
B C
B1 B2 B3 C1 C2
B31 B32 B33
演化論在分子層次也同樣適用
細菌快速演化出可耐抗生 素的新種，殺蟲劑也對蚊 蟲失效，整個自然界都在 執行演化及天擇。
演化有很強的機率成份，
這種機率可預測演化流向。
H5N1 流感病毒 每年演化出新形式病毒
(要逃避宿主免疫系統) 達爾文最早的演化樹構想
生物資訊學
由基因序列的比對，可以 清楚看到人類和其他生物 間的相似與差異，也可方 便地推出演化樹。
若恐龍沒有滅絕，可能會演 化成類似人類外表與功能？
集體抄襲例
宇宙生滅是否遵循演化論？
發現三篇報告內容相似
演化論
11
巨觀、微觀都遵守演化論
比較不同種生物的同功能分子可看到演化的蹤跡
挑出所要群落
得到純系轉殖菌株 大量培養生產 人類胰島素 Human Insulin 送入宿主細菌
基因接入載體 豬胰島素基因
Stryer (1995) Biochemistry, p. 119
Kleismith & Kish (1995) Cell and Molecular Biology, p. 115
人類與豬的胰島素只差一個胺基酸
遺傳 工程
Genetic Engineering
演化論
12
由大腸菌生產的豬胰島素可完全被人類接受
人
含有胰島素基因的細菌
51 胺基酸
有關演化論何者不正確？
(1) 演化是隨機而且沒有方向性的 (2) 物種的多樣性是由突變產生的 (3) 演化加上天擇只保留優勢物種 (4) 分子層次也可看到演化論運行 (5) 演化乃經由劇烈而明顯的突變
答案 (5)
13
在美國蒙大拿地底深處發現
恐龍並沒有滅絕而是演化成為鳥類
6800 萬年前霸王龍骨骼化石中 的膠原蛋白質，為恐龍和鳥類之 間的演化關係，提供了新證據。
比對恐龍胺基酸序列發現，和雞 骨的膠原蛋白最接近 (58%)，與 青蛙或蠑螈也很相似 (51%)。
Science
(13 April 2007)316: 277, 280
始祖鳥化石 (1881)
演化論
14
質譜分析
若銀河系外有一個類似地球環 境的行星，想像有何種生物？
(1) 演化出與地球 完全相同 的生物 (2) 演化出與地球 非常相近 的生物 (3) 演化出與地球 很不相同 的生物 (4) 演化出與地球 完全相異 的生物 (5) 發展我們根本 無法想像 的生物
答案 (見仁見智) (2)
15
關鍵名詞
達爾文 Darwin 小獵犬號 Beagle 物種源始論
演化論 evolution
天擇 natural selection 演化樹
內隱子 intron 外顯子 exon
DNA 雙螺旋
基因 vs 染色體 基因表現
遺傳工程
Humulin (Lilly) 基因序列
基因比對
巨觀 vs 微觀
16
達爾文是第一個提出演化論的人？
『遠古就有演化概念；華萊士也提出』
人類可以利用豬的胰島素嗎？
『可能。但兩種胰島素差一個胺基酸』
演化論的兩個重點？
『物種乃經由突變與天擇而逐漸演化』
『天擇無既定方向，只保留優勢物種』
基因 gene 到底是什麼？
『染色體上可以表現出蛋白質的片段』
17
有關生命起源的看法？
(1) 我支持演化論 (2) 我支持創造論
(3) 我支持智慧設計 (intelligent design) (4) 我都可以接受
(5) 都不接受，我另有看法
答案 (見仁見智) (1)
18
遺傳機制 Century of Discoveries: Genetics
生物遺傳竟然可用單純 的機械性複製來說明之
所有生物都是 DNA 用 來傳遞其自身的軀殼爾
W
IKIPEDIA
Crick 的 DNA 素描
C14
24’ (12.5’)
Dawkins: Selfish Gene
19
迷因 Meme
基因 Gene
奧地利神父孟德爾觀察豌豆外型變化發現遺傳定律
遺傳機制
觀察豌豆的七種形質，初見遺傳學定律：
(1) 個體的每種遺傳形質都有兩個控制單位。
(2) 此二單位在生成配子 (精子、卵子) 時分開。
(3) 每個配子只分得其中之一種單位。
(4) 來自父母雙系的配子經雜交後結合成胚。
(5) 胚胎回復兩個單位，但各來自父母雙方。
(6) 此二單位對形質影響力不同︰顯性、隱性。
TT ss
T T s s
T s Ts T s Ts
T s Ts
T s T s
TT Ts Ts
Tall Tall Tall Tall Tall Tall Tall
shortss
此論文最初遭退稿，發表後也被埋沒了 35 年！
第一子代 (F1) 雜 交 自 交
我的時代將會來臨！
觀察現象
推論原因
高 T 矮 s
F1 F2
F1 F2
假如當時你也在種碗豆
基因型 genotype 外表型
phenotype
WHY?
20
Guess
二十世紀初摩根觀察果蠅遺傳奠定現代遺傳學基石
遺傳機制
W
IKIPEDIA
摩根看過孟德爾的論文，以 果蠅重複其交配實驗，發現 在動物中也大致依循相同的 遺傳定律 (但比例有差異)。
但是摩根觀察到白眼果蠅都 是雄性，因而發現與性別連 結的基因，這些基因都位於 決定性別的染色體上。
遺傳物質位於染色體上，
當時已知是核酸 DNA，然 而還不明白遺傳的精確分 子機制，一直等到 1953 年 發生一件驚天動地的事。
Marker
母
母 公
公
母 公
母 公 決定性別的 X 染色體
(上面也有眼睛顏色基因) 白眼
基因
果蠅的染色體很容易觀察
F1
F2
白 眼
Y
Y
Y Y
Y
21
Guess
在劍橋大學發現的 DNA 核酸構造解決遺傳之謎
W
IKIPEDIA
Watson 與 Crick 是一對奇異組合，並沒 有做過任何實驗，只到處收集相關資料，
竟然能推出 DNA 的確實構造，此構造可 以完美解釋遺傳機制，也獲得諾貝爾獎。
早先，在倫敦王家學院的 Rosalind Franklin 以 X光繞射法 發現 DNA 是螺旋狀雙股巨分子，正確無誤。
遺傳機制
更早，哥倫比亞大學 Erwin Chargaff 分析發現組 成 DNA 構造的四種小分子 (A, T, C, G) 有固定的 比例；任何生物中，永遠是 A=T 且 C=G。這點 使得 Watson 以模型拼湊出 AT 與 CG 的配對。
Cavendish Laboratory, Cambridge University
Watson 在參訪時得知此消息，是 得以正確推出 DNA 構造之關鍵。
陳之藩︰劍河倒影 22
簡單到近乎完美
Guess
Richard Feynman:
牛頓 (1985) no. 25 p. 74
T A
C G
2 氫鍵
3 氫鍵
23
T A
C G
像積木般的 AT, CG 配對
請把本頁列印出來，剪下四個鹼基，然後試著進行各種配對方式。 24
2 氫鍵
3 氫鍵
配對後兩對鹼基的寬度都一樣
DNA 的構造完美地說明了遺傳物質如何複製
W
IKIPEDIA
DNA 是長條巨分子，有點像錄音帶般地貯藏著 遺傳密碼 (A,T,C,G)；可以在酒精中抽取出來，
並且分析這些密碼的序列。人體的全部密碼已經 被解出，總共有 30 億 (3 Giga) 個密碼單位。
遺傳機制
DNA 雙螺旋 由兩股長鏈相 互捲繞而成，每股長鏈上有 連續密碼，而兩股之間的密 碼，是以 A=T, C≡G 互補 性配對，以利其精確複製。
以上述配對方式，若兩股長鏈解開，各自可取用 細胞的游離 A,T,C,G 分子，依照互補規則，各自 複製成一條完整雙螺旋，這兩條完全一樣，就是 遺傳的基本機制，完美解釋「龍生龍鳳生鳳」。
DNA 在酒精中 沈澱成為絲狀
這個發現為何重要？
DNA = 去氧核醣核酸
25
可
解
釋
複
製
機
制
糖 酸 A
T
T
G
G
C
1
2
3
4
5
6
A T T G G C A A G C C
T A G G C T T G C C A A T
DNA / 核酸 / 雙螺旋 / 基因 / 染色體
組合單位 核苷酸
↓ 核酸
組成核酸 之一股
互補雙股
雙螺旋 (double helix)
調控子 基因
mRNA
蛋白質兩種核酸 DNA RNA
(基因只佔 1.5%)
複製
26
核酸 長條 很像 錄音 帶
染 色 體 緊 密 包 裹 核 酸
核酸緊密纏繞在 histone 上面
Alberts et al(2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.230
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.980
細胞如何堆疊 DNA 雙螺旋？
27 DNA
↓ 染色體
準備搬家
有關基因描述何者不正確？
(1) 染色體上的全部核酸就是基因 (2) 基因在細胞中可表現出蛋白質 (3) 基因位於細胞核中的染色體上 (4) 基因化學組成是雙螺旋的 DNA (5) 基因的突變是物種演化的基礎
答案 (1)
28
鳩佔鵲巢
基因決定一切
？
為何連眼睛都未睜開的幼鳥有此本能？
終 於 成 功 了
！
小 壞 蛋 非 常 努 力
Arthur Homan: Rhythms of Nature in the Barycz Valley
29
DNA 只有四種字母
突 變
生物的遺傳密碼全紀錄在 DNA 上
遺傳現象 外表型
子代 孫 代
遺傳物質 = 染色體？
遺傳密碼錯誤造成的 突變是生物演化基礎
Central Dogma 生物學中心教條
1866
親代Mendel
孟德爾 1900
Morgan 摩根 (果蠅)
1953
Watson Crick
DNA
↓ RNA
↓ 蛋白質
原音母盤
↓
複製光碟
↓
播出音樂
A T T G A A C C G
U A A C U U G G C 雙螺旋
Double helix
C G G T T C A A
AT/CG T
細胞核
30
31
遺傳密碼表：每三個字母對應一個胺基酸
Met AUG UAC
20
胺基酸
64
密碼組
Wobble 法則：
一種胺基酸最多 可配對 6 種密碼
起始 密碼
終止
密碼
T A C T T C G A T C G
A U G A A G C U A G C
DNA
mRNA
Met
U A
1
C
Lys
U
2
C U
Translation 轉譯
messenger
tRNA
transfer Ribosome 核糖體
(更確實的轉譯應該有三個 tRNA 結合位)
DNA 抄錄成 RNA 再翻譯為蛋白質
Transcription 轉錄
U
3
Leu
G A
(Mundo
Microscópico)
[翻譯機]
[開始翻譯]
[抄錄成 mRNA 送出細胞核]
[一直翻譯下去]
[摺疊成蛋白質]
[鍵結起來]
[三個字母 一組密碼]
A
突變
A U G
[有無影響？]
32
DNA 抄錄成 RNA 再翻譯為蛋白質
33
孟德爾對生物學的最重要貢獻？
『生物遺傳是以「基因」為控制單位』
基因基本上是如何組成？
『染色體 DNA 鏈上的 A,T,C,G 序列』
發現 DNA 雙螺旋構造有何重大意義？
『基因是貯藏在互補的雙股 DNA 上』
『雙股 DNA 分開後可各自精確複製』
摩根研究果蠅得到何種重要結論？
『基因是貯藏在細胞核中的染色體上』
34
有關遺傳基因何者正確？
(1) DNA兩股螺旋的序列組成不同 (2) 遺傳學理論最早由摩根所提出 (3) 基因是由密碼 A,T,C,G 所組成
(4) 基因之複製不容許有任何錯誤 (5) 細胞所有基因的表現能力相同
(1) 與 (3) 都是正確答案
35
關鍵名詞
孟德爾 Mendel 遺傳學 genetics
基因 gene 迷因 meme 摩根 Morgan
表現型 phenotype 基因型 genotype
雙螺旋 double helix 鹼基 base (A,T,C,G)
顯性的 dominant 隱性的 recessive 30 億對 (3 G)
人類有兩萬基因 複製 duplication 突變 mutation
演化 evolution
互補 A=T, C≡G
36
King’s College, Cambridge University
陳之藩：劍河倒影
(13) 不鑄大錯：Cavendish Lab (11) 風雨中談到深夜
... 對於在風雨中談到深夜的學院生活，都有一種甜蜜的回憶。
... 到深夜而仍口敝舌焦的在辯論 ... 桌上狼藉的咖啡杯 ...
... 你絕難聽到什麼結論，最後是把你心天上堆起疑雲，腦海裡捲起巨浪，
進來時曾覺得清醒的不得了，出去時帶走無數的問題。
37
38
Cavendish Lab
產出一群諾貝爾獎得主 第一個蛋白質構造
波霎天文學
