臺灣化學教育

從微觀到巨觀:由DNA來看世界

洪文東

華夏科際整合聯合總會監事

前國立屏東教育大學化學與生物學系教授

前美和科技大學護理系教授

前國家科學委員會副研究員
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n  前言

科學知識是一套有組織、有系統的知識，科學家以虛心客觀的態度追求自然界萬事萬物的真理。科學家探究自然界事物、現象，經由觀察、描述、解釋、預測等過程，發現問題、探討問題、解決問題，由已知資訊歸納出定理、定律、原理、原則等規律性，再由所提出的規律性加以演繹，推理預測未知的事物、現象從中獲取資訊，進一步提出理論，以探究未來的可能世界。科學研究有它的極限，以目前科學家所開發的科學儀器觀察，其顯微鏡能夠觀察到最小的維度是10的負18次方米，而天文望遠鏡能觀測到最大的維度是10的28次方米。換言之，從微觀角度而言，比10的負18次方更微小的世界是什麼?
我們不知道;從巨觀角度而言，比10的27次方更巨大的世界是什麼?我們也不知道，這就是科學家探討宇宙世界與自然萬物的限制。

n  DNA的發現與其組成結構

西元1952年，James Watson與 Francis Crick 宣佈發現生物學家所稱遺傳物質:去氧核醣核酸(DeoxyribonucleicAcid
簡稱DNA)的雙股螺旋結構。從此之後生物化學的知識進展神速。科學家應用化學原理與方法以確認合理解釋生物功能的分子結構。從事生物化學研究的科學家們是在分子的層次對生命的過程進行描述、解釋、預測，並利用創新技術、精密儀器進一步加以控制。DNA主要是以染色體的形式存在於細胞核中，作為遺傳訊息的儲存物質，負責指揮細胞內組成分子的合成。DNA包含去氧腺嘌呤核苷5′-單磷酸(簡稱DAMP)、去氧鳥糞嘌呤核苷5′-單磷酸(簡稱DGMP)、去氧胸腺咪啶核苷5′-單磷酸(簡稱DTMP)及去氧胞咪啶核苷單磷酸(簡稱DCMP)。DNA是遺傳訊息的化學儲存形式，包含DAMP、DGMP、DTMP、DCMP四種單體。在人體染色體中，每一個DNA分子含有上百萬個核苷酸(Nucleotides)。而參與遺傳訊息傳遞及生物性催化作用的核醣核酸(Ribonucleic Acid簡稱RNA)是一種腺嘌呤核苷5′-單磷酸(AMP)、鳥糞嘌呤核苷5′-單磷酸(GMP)、胞咪啶核苷5′-單磷酸(CMP)及尿咪啶核苷5′-單磷酸(UMP)所組成之單質聚合物。存在於核苷酸中的遺傳訊息主要是由組成的核苷酸序列所解碼(王姿文等7人，2009)。以化學觀點而言，所有物質皆是由原子組合而成，相同的原子組合成元素，不同的原子組合成化合物。例如水，它是兩個氫原子與一個氧原子化合而成。以生物化學角度而言，所有生物體都含有碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素，這些元素再以不同結構組成化合物，諸如:醣類、蛋白質、脂質、胺基酸、維生素等巨分子。生物細胞中的DNA主要就是由四種不同的核苷酸A、G、C、T連接形成的異質聚合物。

n  自然界物質的循環

從生物進化論觀之，人是最高等的動物，人類出現在地球約4~5百萬年前，人體內的各種元素同樣是碳、氫、氧、氮、磷、硫等，體內主要化合物也同樣是醣類、蛋白質、脂質等。再從化學角度觀之，自然界的物質皆由原子以不同數量、排列方式、組織結構、組合而成，這些物質皆在自然界中生、生、滅、滅，以各種化學變化方式在循環著，人在自然界中與其他生物一樣，從出生到死亡，其組成的各式化合物，最後回再分解成各種元素、原子等，所謂塵歸塵，土歸途，最終都會回歸自然。化學家所謂的物質循環，例如:【水循環】，地面上的河水、湖水、海水等經陽光照射，這些水遇熱先蒸發成水蒸氣，上升至高空中集結成白雲，白雲遇到冷空氣再冷卻凝結變成小水珠，小水珠浮懸在高空中集結成烏雲，烏雲集結成雨滴，再下雨降落到地面上，形成所謂的【水循環】。又例如【碳循環】，生物不管是動物或植物，皆是由碳、氫、氧等元素組合而成，其燃燒後會產生二氧化碳，然後擴散混合在空氣中，空氣中的二氧化碳，二氧化碳與水分子，經光合作用再合成為葡萄糖，植物吸收後進一步合成為澱粉、纖維素等，提供營養成分，給植物攝取營養素，從種子發芽以成長茁壯。動物也是攝取這些植物或動物養分，形成所謂【食物鏈】。這些植物或動物死亡，都是有機物，會再分解成碳、氫、氧等元素，這就是碳的循環。換言之，現在生存的地球環境，我們所呼吸的空氣中各種分子、原子，同樣都是古代人物所呼吸的各種分子、原子再循環著。以此推論，我們現在所呼吸的分子、原子，其中有可能是春秋時代的孔夫子、或古希臘哲學家蘇格拉底，這些古代人物分解後的分子、原子。從DNA角度觀之，人和動物有著大部份相同基因，它們執行著類似的生化功能，此種相似度起源於約8000萬年前有著共同的祖先。

n  結語

2009年國際科學研究期刊「SCIENCE」上有發表一篇研究報告指出，人和家養牛的基因有80%的相似度。國際另一篇研究報告發現人與黑猩猩的基因相似度高達96%。另外一篇研究論文指出，人與香蕉基因相似度也有60%。這些科學家的研究發現，人類和動物、或植物的基因相似度簡直令人驚訝。人類身體中有著30億的DNA鹼基對，這些DNA基因組合建構了人體各種組織、器官。在這30億DNA基因中，只有極小部份是屬於自己個人所有。換言之，人與人之間，其基因相似度高達99.9%，其餘0.1%的基因決定了不同人的膚色、髮色、各種遺傳疾病等。以DNA看世界，正如禮運大同篇所謂【世界大同】，世界上各民族人民都同樣擁有99.9%的基因相似，所不同的只有那0.1%。從DNA看世界上各民族人民，不同膚色、髮色、遺傳，人類共有30億的DNA基因組合其中有99.9%相似性，所差異的只有0.1%而已。

換句話說30億的DNA基因，有300萬個基因，影響人類各民族的膚色、髮色、遺傳疾病、個人特質等。從99.9%宏觀來看，是世界大同。從0.1%的微觀來看，又有個別差異性。正如明儒理學家王陽明先生格物致知，求同存異，同人大有。

n  參考資料

王姿文、石心怡、林美惠、邱采新、許淑真、楊明華、蔣本慈（2009）。基礎生物化學。Rodney Boyer 原著，Concepts in Biochemistry,3rd Edition。台北：歐亞書局。