2007/06/21

從果蠅之小 見生命之大-江安世專訪

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科學頭條新聞 從果蠅之小 見生命之大
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從果蠅之小 見生命之大
清華大學教授江安世的團隊對果蠅嗅覺腦圖譜的研究結果,發表於頂級生命科學期刊《細胞》上,除了描繪果蠅的神經系統,這項成就有著更深遠的意義:揭開人類大腦的秘密。 

撰文╱龐中培

 

家中的垃圾如果幾天沒處理,就可以發現許多芝麻大的小昆蟲在垃圾邊環繞飛舞,這些惱人的小昆蟲,十之八九是果蠅,牠們平常隱而不現,但只要垃圾飄出異味,往往就能聞「香」而至,一如人類聞香下馬。「聞香下馬」這四個字看似簡單,不過整個過程牽涉到許多交互作用:千千萬萬的氣味分子與嗅覺器官上的受體(蛋白質)結合後,產生的訊息傳遞到腦、腦解析這些訊息的意義後做出適當的反應,其中關係到複雜的神經網絡,以及訊息傳遞的路徑與組合方式。

2004年,艾克塞(Richard Axel)與巴克(Linda B. Buck)即以嗅覺受體基因的研究獲頒諾貝爾生醫獎。不過艾克塞與巴克所發現的是細胞上與氣味分子結合的受體,至於這些受體與氣味分子結合後產生什麼變化與刺激?相關的訊息經由哪些神經元傳遞?都有待釐清。至於神經系統更高層次的活動,例如訊息在神經系統的呈現方式、如何建立或喚起記憶及產生反應等,也都還不清楚。因此艾克塞與巴克的研究,只是釐清嗅覺產生的第一步而已。

今年3月23日,著名的生命科學期刊《細胞》(Cell)刊載了由新竹清華大學生物科技研究所江安世所率領團隊的研究成果。他們以果蠅為研究對象,揭開了嗅覺訊息在腦中傳遞的部份圖譜。《細胞》刊載論文被引用的次數,可與著名的科學期刊《自然》(Nature)與《科學》(Science)比肩。國內科學團隊獨立研究的成果,於《自然》與《科學》上發表過的不在少數;但是在《細胞》上發表,是江安世團隊拔得頭籌。

從技術出發,繪製果蠅神經圖譜

雖然人類腦中的訊息處理與傳遞,最令科學家著迷,不過由於人腦中大約有1000億個神經元、人類的生命相對而言比較長、又不可能任意操弄人體內的基因,因此許多神經科學的研究,只能以其他動物為對象,例如小鼠、斑馬魚和果蠅等模式動物。果蠅的腦大約只有13萬5000個神經元,也能夠展現記憶、學習等較複雜的行為,因此最受到青睞,成為研究神經科學的重要對象。此外,果蠅的所有基因都已經定出序列、生命週期又短(大約60天),也使得研究容易進行。

之前果蠅嗅覺傳遞的神經圖譜研究,只從氣味受體到神經處理單位嗅覺小球,再往上的蕈狀體則受限於技術,圖譜尚不清楚。江安世的研究,則補足了這一塊空缺,讓嗅覺訊息傳遞的圖譜拓得更寬遠、刻畫得更細緻。

「工欲善其事,必先利其器」,在科學研究上也是如此。生命科學的進步,往往受到科技發展的推動,例如在電子顯微鏡技術成熟之後,人類才有工具在手,能夠剖析細胞中各種胞器的細微構造,同時看到濾過性病毒的樣貌。而DNA定序技術的發展與精進,讓我們能夠快速且大量的定出許多物種的基因組序列,對於基因的功能與演化,能展開深入而且廣泛的研究。江安世能夠率先得出果蠅腦中嗅覺的圖譜,其優勢是利用自行研發出的FocusClearTM溶液來處理組織樣本,使樣本變得透明,而有利於觀察;同時利用特殊的遺傳工程技術,讓果蠅腦中特定且單一神經元能呈現出螢光顏色;並利用共軛焦顯微鏡,將神經元的三維空間結構顯示出來。

雖然蕈狀體只佔了整個果蠅腦的一小部份,而江安世研究的也只是其中部份細胞,其他各種感覺,諸如聽覺、味覺與視覺的處理、調節與輸出神經圖譜,都還付之闕如。不過,江安世團隊發展出的技術,既然能夠繪製出果蠅的嗅覺圖譜,當然也可以繪製出其他感覺、甚至更高處理層次單元的圖譜,發展潛力無窮。
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【意猶未盡嗎?欲閱讀完整全文,請參閱《科學人》雜誌2007年6月號

 

 
清真寺磚瓦花樣百變
15世紀土耳其清真寺的磚瓦作品,呈現出準晶體結構的特色,那就是樣式永不重複出現。

撰文╱明克爾(JR Minkel)
翻譯╱王怡文 

中古時期的伊斯蘭工匠在設計建築結構時,想出了一種複雜的圖樣,正好就是知名數學家彭若斯在1970年提出而聞名於世的「準晶體」(quasicrystal)結構。美國哈佛大學物理學博士生陸述義(Peter J. Lu),在烏茲別克旅行時看出端倪,於是仔細研究伊朗、伊拉克、土耳其和阿富汗的照片。陸述義和普林斯頓大學的斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)研究發現,其中有一種稱為綺理(girih)的華麗磚瓦設計,只有用蝴蝶結形、五角形、菱形、長的六角形,以及十角形等五種磚瓦為一組,才能準確建構出來。這些常見的磚瓦設計,在伊朗達布依教長陵墓上達到精巧繁複的極致,它是1453年的產物,呈現出由五角形及十邊星形所組成的對稱圖樣。如果朝各方向無限延伸出去,圖樣永遠不會重複出現,這正是準晶體結構的特性。這兩位學者將研究結果發表在2月23日的《科學》。

【本文轉載自科學人2007年6月號】 

 
總編輯的話─找尋南美動物王國 

撰文╱李家維

美國哈佛大學動物博物館的櫥窗裡有兩具動物的骨骸化石,牠們是來自怪獸之鄉的南美洲,我盯著看的是地獺,另一隻是雕齒獸。地獺用兩足行走,嚼樹葉維生,3000多萬年前出現,一萬年前滅絕,最大的種類可以長到六公尺以上,看那粗壯的骨架,在動物界中還真罕見。而雕齒獸就更怪異了,牠渾身包裹著厚重的硬骨甲,體重可達兩公噸,是個草食哺乳動物,也在一萬年前滅絕了。

南美洲曾是個長期孤懸的陸塊,從5500萬年前就與其他主要陸塊分離,是地理隔絕造就了繽紛的歧異演化。分離之初它只有少數類型的哺乳類,到了500萬年前南、北美洲合攏時,它已有很多樣的哺乳動物。在這期間只有靈長類和齧齒類兩類哺乳動物,由外地移入。古生物學家對南美洲獨特的哺乳動物演化過程,了解的並不多,因為缺乏足夠的化石證據。在這期《科學人》裡,〈失落的南美動物王國〉補上了這缺憾,三位美國和智利的學者以智利山區新出土的大量化石,綜論了4000萬~1000萬年前這裡的演化歷程。他們更指出移入的靈長類和齧齒類很可能是來自非洲,而非想來理所當然的北美洲。

五年前,美國卡內基自然史博物館的羅哲西為我們介紹了三磨楔齒獸。牠擁有能剪切又能研磨的臼齒,是哺乳動物的創新構造,使牠們能從食物中取得更多的營養和能量,也因此在演化上佔了優勢。羅哲西和南京大學的陳萌在這期裡,又為我們介紹了剛從河北燕山挖掘出的中國燕齒獸,牠有另一個創新構造,那就是複雜的中耳。其他脊椎動物的中耳只有一根骨頭,而哺乳動物從下頜移了另外兩根到中耳,聽覺更靈敏了。

哺乳動物除了吃得好、聽得好,還有個發達的聰明腦。要細究其精巧,幾乎是辦不到,因為我們的腦子裡竟然有錯綜糾纏的上千億個神經細胞。我很得意有位好同事,他是清華大學生命科學系的江安世,剛在《細胞》上發表了果蠅腦神經圖譜。這是項極為傑出的研究,將來循著同樣的方法,要揭開人類大腦的秘密就可能不是夢了,請細讀我們編輯部龐中培的特別報導〈從果蠅之小,見生命之大〉。江安世說:「實驗是到處都可以做的,但是在台灣完成,意義很不一樣。」很感人吧!

【本文轉載自科學人2007年6月號】 

 

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