作者/王雯君

第一章 戰爭摧殘中的新生

第一節 戰地中的醫生

1870年法國皇帝拿破侖三世(法語:Napoléon III,1808-1873年)深受勢力日漸增長的普魯士威脅,於是在當年七月宣戰,史稱普法戰爭於焉爆發(註1)。所有的青年皆被動員至戰場,或上前線拋頭顱灑熱血,或到後勤負責醫療照護,而當時年僅28歲剛從布拉格大學醫學相關科系畢業兩年的弗萊明( Walther Flemming ,1843 – 1905)雖然還是個菜鳥醫生,但他秉著愛國的心,義不容辭地成為負責醫療的普魯士戰地醫生。

「弗萊明醫生!快過來這邊!這個傷患被炮彈擊中,情況緊急!」這樣的急迫催促在戰地醫護站裡並不是罕見的情形,弗萊明聽到呼喚還是立刻跑了過去,不過,眼前迎來的是他最不想見到的畫面,躺在擔架上的正是他的鄰居兼摯友馬克斯。

「馬克斯~撐下去!你一定會康復回家的。」弗萊明盡量讓自己保持理性地進行手術。

「弗萊明~我知道我大概不行了。還好生命的最後有你這個摯友陪著我~還有...這個...就拜託你了」語畢,馬克斯就斷氣了,手邊緊緊握著一張照片,影像中的女孩抱著身旁的婦人笑的甜美。 弗萊明了解到這就是戰爭的殘酷,手術刀與繃帶終究敵不過前膛槍與砲彈,他痛恨科學被應用在傷害生命的用途上,雖然悲憤,但也只能盡力地醫療傷患避免更多戰爭孤兒的產生。

戰場是個無法容許悲傷的地方,沒多久醫療兵抬著一位正在痛苦哀號的士兵進來,「弗萊明醫生,請快過來看看,他的大腿被子彈射穿了」,弗萊明見狀趕緊擦乾眼淚,快步跑去接手傷患。

「醫生,我是不是快要死了?請告訴我爸媽我愛他們~」病人臉色蒼白地說著。

「你還能叫那麼大聲,應該不會有什麼事,還好打中的位置偏大腿外側,碎片沒有切到主要的血管。不過這子彈穿透身體所造成的傷口很大,在清除完彈殼後,還得小心感染,否則可能得截肢了」佛萊明熟練地進行消毒,並仔細將子彈碎片從大腿肌肉組織夾除。

過了一個月,當時受傷的士兵康復後來向佛萊明表達感謝之意。「哎呀!這傷口復原的真好,你看這新生的肌肉、神經、皮膚組織完全看不出來曾經受過傷。真不知道這背後是什麼機制在操作的」弗萊明看著傷口讚嘆地說道。

「醫生,你在說什麼啊,這當然是你這個神手在背後操作讓我的傷口癒合的那麼完美阿,真是太感謝你了」弗萊明看著眼前這神采奕奕的年輕人與一個月前病懨懨的樣子判若兩人,由衷地感到欣慰,而傷口癒合這樣藉由細胞分化為各式細胞的現象對於身為軍醫的佛萊明而言是那麼的普通,卻又每每讓他感到驚奇。

1871年5月法國政府投降並與普魯士簽署法蘭克福條約,以割讓土地與巨額賠款為代價,普魯士大獲全勝,並建立了德意志帝國。戰爭結束後,佛萊明卸下軍醫的工作,到布拉格大學(University of Prague,1873-1876)任教,在細胞學與顯微技術快速發展的19世紀,重返校園的佛萊明也開始傾心於研究顯微解剖學,並打算解開他對於細胞分化機制的疑惑。而後又至基爾大學(University of Kiel)擔任解剖學教授的職位,並一直擔任該校解剖研究所所長直到過世為止。

他也沒忘記在戰爭時目睹的悲劇,他終生都將薪水的20%捐給無家可歸的弱勢族群,在閒暇時也為無力負擔學費的小孩指導數學與科學,期待人類的良善與理智最終能戰勝自私與慾望。

第二章 細胞來自於新細胞

第一節 前人的顯微細胞研究

細胞學說於19世紀中期被許來登與許旺提出,而後被魏修與雷馬克修正,細胞學說奠定了生物學的基礎,其內容提到「所有生物皆由細胞所組成,細胞是生物體構造與功能的單位」,也使得動植物的領域得以更加深入地研究。

幾年後,俄國學者馮貝爾(Karl von Baer)在顯微鏡下觀察到生物所有的組織都是由胚胎的三層組織發育而來,而胚胎是由受精卵細胞分 裂所形成,也就是說「生物體的所有構造皆由細胞分裂而來」,馮貝爾的研究也帶動了19世紀胚胎學的發展。然而就像佛萊明一樣,19世紀的科學家們觀察到生物體的組織相當多樣,像是神經組織、腺組織、神經、表皮等幾百種組織,但這些功能與型態差異甚多的細胞是如何由細胞分化而來?調控此現象背後的機制成為當代細胞學家相當熱門的研究主題。像是Remak(1841),Nageli(1842),Derbes(1847),Reichert(1847),Hofmeistert(1848,1849)以及Krohn(1852),他們的文章中都有類似細胞分裂(mitotic figures)的觀察紀錄。當時他們利用顯微鏡觀察細胞產生新細胞的過程時,發現到細胞內部顏色較深的細胞核會有許多顆粒狀的物質出現,接著這些顆粒狀的物質會移動一部分到子細胞的細胞核中,最後細胞分裂為兩個細胞。其中甚至有些學者還認為細胞核在分裂過程中會溶解消失,而兩個新細胞的細胞核是由細胞質重新產生。整體而言,當時雖然已經觀察到新細胞產生時會先出現細胞核而後從母細胞分裂的現象,不過對於細胞核在細胞分裂中所扮演的角色並不清楚。

不過在光學儀器的改進與顯微技術的進步下,對於新細胞的形成又得以有更進一步的認識,包括固定各種生物材料的新方法、1866年西斯發明了切片機以製備更薄的標本切片、1870油浸鏡頭的問世、1881年物理學家阿貝(Ernst Abbe,1840-1905年)與製鏡師肖特(Otto Schott,1851-1935年),兩人一起研發了硼矽酸鹽玻璃,解決了顯微鏡色散干擾的問題,將顯微鏡的解析能力提高到200奈米左右。物理與化學技術帶入生物學的領域,造成19世紀70到80年代成為細胞學研究的黃金時代。

隨著顯微鏡解析度上升,科學家們觀察到細胞分裂時會伴隨著細胞核的分裂,正式推翻了1838年許來登所提的cell-free formation理論中細胞核由微粒結晶而來的看法(註2)。科學家將開始將研究焦點放到細胞核上,他們觀察到細胞核雖然只佔據細胞的一小部分,但卻具有嚴密結構,在細胞分裂時似乎會有所變化,這是否代表細胞核內可能帶有控制胚胎發育、細胞分化的物質,而這些物質又是藉由何種機制傳遞給其他細胞的。這些疑問掀起了19世紀後期細胞顯微研究的熱潮,科學家們紛紛藉由觀察動植物細胞與胚胎發育過程來揭開這個秘密。

第二節 細胞核內絲狀構造的移動

「恩...這個視野下正在進行分裂的細胞頗多,就選這裡為觀察目標好了。深色的部分是細胞核,外圍有像膜狀的構造包圍著膠狀的物質。耶~這裡正在產生新細胞,將視野換到這裡好了。確實如前人研究所觀察到的一樣,新細胞在產生的時候會有細胞核消失的情形,然後好像有顆粒狀的構造在移動著,不過,整個細胞看起來大致是透明的,只有深淺的差別,內部細緻的構造看的不是很清楚,真的是很困擾耶」佛萊明實驗室的研究生一邊調著細調節輪一邊說著。

「你有試過加染劑嗎?加了染劑可以提升對比,也許就可以看得更清楚了」佛萊明回答道。

「有啊!老師~不過我加了染劑之後,染劑好像都沒有被細胞吸收,反而讓視野變暗,觀察物都糊在一起,反而更看不清楚」學生困惑的說。

「沒有被吸收?恩...也許可以利用細胞內部的化學性質改善這一點,還記得1869年米歇爾(Friedrich Miescher,1844-1895年)教授發現細胞核內含有一種比普通蛋白質更偏酸性的酸性物質『核素』(nuclein,當時認為是蛋白質,實際上的成分是核酸與蛋白質,現稱核酸),若要看清楚細胞分裂時細胞核的改變,可能就得針對細胞核進行染色。你們去搜尋看看有沒有鹼性的染料可以應用」佛萊明說道。

「老師,這附近的布料工廠好像有許多染劑,也許可以跟他們要一些染劑來試試看」研究室其中一位學生提議。

1878 弗萊明利用鹼性苯胺染料針對蠑螈幼體尾鰭的表皮細胞與紅血球細胞進行染色,這種染劑會讓細胞停止所有生命現象而死亡,這使得他能獲得細胞分裂時各階段的細胞靜止狀態,再藉由排列一系列的細胞玻片來觀察細胞分裂時細胞內部各階段的變化,下圖為弗萊明的原始紀錄:

「這種染劑會與細胞核內部的物質結合呈色,使細胞核內的構造清晰可見,原來顆粒狀的細胞核是由細絲狀的構造所組成,那要叫這種相較於細胞中其他部分更會吸收鹼性紅色染劑的細絲狀構造什麼呢?阿!能被染色的細絲狀構造...那就以希臘字源color將此構造命名為染色質(chromatin)吧!」弗萊明使用的鹼性苯胺染劑就像一把鑰匙,打開了稱為細胞核的秘密房間,讓科學家得以一窺其內部的秘密。

弗萊明在觀察蠑螈胚胎細胞分裂時,他注意到一開始母細胞(原本的細胞)細胞核膜會逐漸消失,染色質會濃縮為線狀的構造(thread-like structures ,後來於1888年由Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz (1836 –1921)命名為染色體),這些線型的構造有長有短,交錯散布在細胞中。接著核膜完全消失,這些線型的物質會整齊排列在細胞中間。最後線型的物質會縱裂平分為二,並分別移向母細胞的兩極,兩邊分配到的線形物質相同,接著細胞逐漸拉長造成中央凹陷,這些線型物質再次解開成為絲狀染色質的狀態,兩個細胞核出現,最終細胞分為兩個細胞。

原來細胞分裂時,細胞核並沒有如前人所描述的一樣「消失」,而是核膜破裂,讓原本呈絲狀或顆粒狀的染色質濃縮聚集呈染色體的樣子,他又將這種細胞核先於細胞質分裂的方式稱為間接分裂(indirect division),並於1882年的論文集《細胞質、細胞核和細胞分裂》(德文:Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung;英文: Cell substance, nucleus and cell division)將這種動物細胞產生新細胞時伴隨細胞核內絲狀物質的(希臘字源mitos)變化稱為有絲分裂(mitosis)。

而植物細胞的細胞分裂過程則由斯特拉斯伯格(Edurad Strasburger,1844-1905年)觀察與紀錄。他在1876年發表植物的細胞分裂觀察後,並持續在多種植物中觀察新細胞形成時細胞的變化,最後於1884年《傳宗接代的理論》中提出細胞分裂時細胞核內的狀態包含三階段的轉變(其稱為核動態karyokinesis),分別是:前期prophase、中期metaphase、後期anaphase等敘述(註3)。

第三節 染色體與細胞分裂

19世紀後期,弗萊明與斯特拉斯伯格的觀察證實細胞核分裂和細胞分裂的基本階段在植物界和動物界都是相同的,也為細胞學說帶來支持的證據。兩人的研究也證實了新細胞核並非如前人所認為的那樣由原先細胞的細胞核解體後再重新形成的,而是由原先已存在之細胞核(母細胞的細胞核)複製再重新分配成新細胞的細胞核,弗萊明根據這個觀察提出了「細胞核來自其他細胞的細胞核」(拉丁文稱為「omnis nucleus e nucleo」)來呼應1858年魏修根據雷馬克與自身的研究而提出了用來修正許萊登與許旺「細胞學說」中關於新細胞形成的名言「細胞來自細胞」(拉丁文稱為「Omnis cellula e cellula」)。另外,弗萊明的染色方法也帶動了當代科學家開始應用各式染劑於細胞的顯微觀察,細胞分裂時染色體的變化也被越來越多的科學家證實。

「老師~你看!真的就像你說的那樣,母細胞藉由有絲分裂時線狀構造的排列與均分來確認新產生的細胞跟原本的細胞帶有一樣數量的染色體」學生轉頭向弗萊明說道。

「還不只這樣呢!你可以觀察到前期濃縮而成的線狀構造其數量會是正常細胞內染色體數量的兩倍,我推測這是因為細胞在進行有絲分裂前會先進行染色體的複製,最後再平分給兩個細胞。細胞藉由這樣的染色體分配模式,讓同一種生物的每一種組織細胞都擁有同樣的染色體。這樣的調控方式會不會代表染色體其實就是控制細胞分化發育的關鍵呢?為了瞭解染色體的功能,看來還有許多工作要做呢!真令人躍躍欲試」弗萊明信心滿滿地說道。

19世紀後期觀察到細胞分裂與染色體的科學家們產生如同弗萊明一樣的疑問:究竟為什麼產生新細胞時細胞核內的染色體分布方式需要如此複雜?這是否代表細胞核中的染色體帶有重要的功能?這一切的謎底得在1883年貝內登(Edouard Van Beneden)發表關於生殖細胞減數分裂的相關研究,與1900年孟德爾遺傳概念被再發現後,才會開始與遺傳學相互連結。不過這可不是一件簡單的事,要解開這個謎底,還得再融入包法利(Theodor Boveri)與洒吞(Walter Stanborough Sutton)的研究成果後,染色體在細胞內扮演的角色才會撥雲見日、漸趨明朗。

註解:

1.普法戰爭:在法國稱1870年法德戰爭(法語:Guerre franco-allemande de 1870),在德國稱德法戰爭(德語:Deutsch-Französischer Krieg)

2.theory of free cell formation:許來登認為細胞形成的第一步是通過結晶作用從細胞內涵物的顆粒物質形成細胞核。然後這核即行生長並圍繞本身最後形成一個新細胞,核的外膜就變成細胞壁。

3.前期prophase:染色質濃縮為染色體,母細胞的細胞核膜、核仁消失;中期metaphase:染色體的著絲點排列在赤道板上,此時的染色體在視野下最為清晰;後期anaphase:兩套染色體分別移向細胞兩極。1894年,德國解剖學家海登海恩(Martin Heidenhain,1864-1949)提議將細胞分裂最後出現細胞質的分裂、染色體解開成為鬆散的染色質,最後核膜、核仁重新現的階段,稱為末期(telophase),1905年斯特拉斯伯格接受此觀點,並將細胞分裂劃分為四個時期。

參考資料:

平立岩(2009)從豌豆‧果蠅‧細菌到人類:遺傳學史略,5.2節

WALTHER FLEMMING. https://peoplepill.com/

Ernst Mayr(1982)The Growth of Biological Thought: Diversity, Evolution, and Inheritance.P674

周予新與孫富强(2002)细胞城里的故事,第一章 探索細胞的里程碑

Walther Flemming(1882), Kern und Zelltheilung

Neidhard Paweletz(2001)Walther Flemming: pioneer of mitosis research.

EUGENE M. MCCARTHY.Steps of Meiosis and Mitosis.Online Biology Dictionary

Kend all Ha ven(2007)100 Greatest Science Discoveries of All Time

Encyclopaedia Britannica.Eduard Adolf Strasburger.

Ettore Olmo, Carlo A.(2000)Chromosomes Today Redi, P15