生命起源時細胞的產生 ─ 程愛倫認識科學系列演講
陳正茂 報導

不少世界著名的科學家，在青少年時代就懷有好奇冒險探索未知的科學興趣，在學業上有卓越的表現。例如榮獲兩次諾貝爾科學獎的居禮夫人 (Marie Curie)，唸中學時就在科學與學業方面都出類拔萃；被認為二十世紀最偉大科學家之一的愛因斯坦 (Albert Einstein)，在16歲時就開始思考「相對論」。這些著名的科學家都能嚴謹的思考，繼續的創新，並具有勤勉能耐的追求科學真理的精神。此次的演講者，程愛倫 (Irene A. Chen) 是本地同鄉程孟郎教授和張美喜女士的女兒。她就是具有這種成功科學家特質的年青學者。她在中學時代，不但對科學擁有濃厚的興趣，表現亦非凡。她在 La Jolla 唸高中時，嬴得西屋全美高中科學大賽第一名的殊榮，並獲四萬元獎學金。從哈佛大學化學系畢業後，她繼續在同校完成了醫科和博士學位 (M.D.-Ph.D)。她的研究論文得到2005年哈佛大學研究生傑出論文大獎 (Harold M. Weintraub Graduate Student Award)。勤勉而有能力的 Irene Chen，又在2006年通用電氣 (GE Healthcare) 和科學雜誌 (Science) 合辦的生命科學青年科學家 (Young Life Scientists) 的論文競賽中榮膺兩萬五千元首獎，並於2006年12月到瑞典的 Stockholm 接受頒獎。

此次 Irene Chen 的演講題目是「Edge of Life」，可意譯為「接近創造生命」。她的演講內容廣泛的涉及分子生物學，化學，和物理學，甚至數學。她的研究議題是當今分子生物學的熱門，也是科學的前峰。除非具有相關的科學知識，否則不易欣賞其在科學上創新的美妙傑作。她此次演講的題目，也許可用她榮獲 GE-Science 大獎時，在科學雜誌上所發表的論文題目：「生命起源時細胞的產生」(The Emergence of Cells During the Origin of Life) 來描述其演講的內容較為傳神。在過去八年裡，世界上至少已有六個研究小組致力於合成人造細胞，並已逐漸獲致成果。專家們預計這種試管中製造的「人造細胞」，即所謂「濕人造生命」(wet artificial life)，將於三至十年內達成重大發展，並使「人造生命」成為廣為人知的概念。雖然科學家對於「生命」的定義仍然有爭論，但他(她) 們認為有朝一日，有「生命」的人造細胞或許能應用於治療疾病，清潔環境，創造新的能源，和了解地球上生命的起源。

首先，Irene Chen簡略的介紹生命起源的學說。她說，雖然科學家在地球上最古老的化石 (約35億年) 中可以找到原始細胞的痕跡。但是，科學家仍不知道原始細胞在地球上如何形成，在何種條件下形成；換句話說，原始細胞的起源是一個很大的問號。她與她的同仁認為，原始細胞應具備兩個基本條件：(1) 要有能自己複製的基因体 (Genome)，她選擇核醣核酸 (RNA) 為其原始基因体的實驗材料，因為多數科學家認為RNA比DNA (去氧核醣核酸) 的化學構造簡單，所以RNA最有可能是早期的原始基因体。而且RNA可攜帶資訊，也可自己複製，並且具有酵素的功用。(2) 要有包圍基因体的原始細胞膜，可讓好分子在細胞膜內繁殖，也可從環境中攝取細胞內所需原料，並能排除癈棄的壞分子於細胞膜外。脂肪酸 (fatty acid)是組成細胞膜的主要有機化合物，而且科學家也在有數億年歷史的隕石裡發現脂肪酸。實驗証明，脂肪酸不但可在地球上最原始的環境下合成，更重要的，它也可自己組成胞囊 (vesicle)。科學家發現這些胞囊，類似現代細胞，在適當環境下可擴大並可增殖分裂，所以Irene Chen與她的同仁，選用脂肪酸組成的胞囊作為原始的細胞膜，進行細胞起源的實驗。

Irene Chen與她的同仁想解答地球上生命起源的一個大問題：原始的基因体和原始的細胞膜如何相互作用而進化為細胞？她(他)們認為原始細胞的形成，在基因体和細胞膜間，需要在彼此有利的條件下相互作用；並需要有足夠的能量，方能進化為能夠增殖的原始細胞。她設計了精確的化學與物理的實驗方法，來証明其所需能量來自細胞膜 (胞囊) 內外的滲透壓和氫 (H) 離子濃度 (pH) 的差異。她推測這些能量就是原始細胞形成時所需能量的來源。她採用簡單的胞囊和原始基因体(RNA) 做實驗，來推測早期的原始細胞如何在地球上形成。她在胞囊內試用不同濃度和不同種類的RNA (包括有ribozyme功能的RNA)。她的實驗發現，如果讓含有能複製的RNA的胞囊和不含RNA的胞囊相互競爭，含有RNA的胞囊會向不含RNA的胞囊偷取胞膜。這是因為RNA在胞囊內複製增殖時產生的滲透壓促使它向胞囊內無RNA的胞膜吸取 (約25%的) 脂肪酸。胞囊內RNA的濃度影響胞膜的滲透壓，因而影響含有RNA的胞囊向不含RNA的胞囊偷取胞膜的能力。她的實驗發現，胞膜因滲透壓的變化而增大時，引起了胞膜內外 pH值 (即酸度，H離子濃度) 的差異。因其差異而產生並儲蓄了能量，這些能量可能有助於原始細胞向外攝取所需物質，促進細胞增殖。所以她認為，這些實驗結果可能就是達爾文式的物競天擇的演化行為的簡單例子。也許這種簡單的實驗方法，可應用於深入的探究地球上生命起源的奧秘。她也計劃，將天然的和人工製造的各種不同的基因体，放入胞囊內，研究其理化行為，以便未來可應用於醫學上治療疾病。