3小時讀通DNA誕生之謎

前言

第1章隱藏在DNA中的生命構造
D．N．A
基因
基因的真面目．DNA的發現
DNA的結構
DNA是由許多「核酶酸」聯結形成的
DNA已可輕易複寫

第2章集齊材料很困難
生物不會自然發生
那麼，世界最初的生物是？
原始的地球發生了什麼事
宇宙掉下來的禮物
胚種論
DNA的材料是「拼拼貼貼」而成的
米勒的實驗中，先形成的是胺基酸
核酶酸也可以自然合成？

第3章以RNA為中心擴展的世界－－原始地球
核醣核酶酸
DNA的材料來自於RNA的材料
何謂RNA
三種RNA
萬能的RNA
RNA世界
核醣核酶酸是如何聯結才形成RNA的
前RNA世界
RNA也作為酵素運作
讓核酶酸聚合的RNA
自我複製的RNA
「垃圾袋」與「垃圾」

第4章氧原子的消失與安定化
氧原子（O）與核醣核酶酸
剪接
剪接時2-OH的運作
RNA容易自我分解
中間的階段
2-OH的有無與作為核酸的雙鏈DNA的意義

第5章DNA的「開發」
胸腺嘧啶與尿嘧啶
試行錯誤的結果產生的DNA
使用尿嘧啶的DNA
三個嘧啶鹼基
胞嘧啶的脫胺作用與尿嘧啶
胸腺嘧啶的「開發」
現在的「RNA世界」
何謂病毒？
最初的DNA病毒，現身！
當初「開發」DNA的是誰？
病毒進行的DNA開發

第6章複製方法的進化與之後生物的命運
複製方法的進化
RNA聚合酶與DNA聚合酶
胺基酸與蛋白質
DNA聚合酶是因為RNA聚合酶的突然變異而誕生的嗎？
祖先是相同的
引發酶即為RNA聚合酶
DNA以前沒在複製？
DNA複製是從轉錄失敗開始的？
複合核酸假說
RNA引子誕生之謎
安定性與「複製」的副作用
DNA複製並不完美
可以自由操作DNA的人類的未來

索引

推薦序

　　“Ask Why”，讓學習變得更有趣！

　　在臺大教授分子生物學 (分生) 的過程中，我經常挑戰學生兩件事：

　　(1) 請捫心自問，有沒有把握將 ”DNA” 與 ”RNA” 的英文全名正確地寫出來？

　　(2) 請捫心自問，背了那麼多的專有名詞 (含縮寫) ，對於實際從事實驗工作，到底有多少的幫助？

　　讓我驚訝的是：就算已經明白地表示寫出 DNA 和 RNA 的英文全名，將是期中考的必考題，但仍有為數不少的同學無法將 “deoxyribonucleic acid (DNA)” 或是 “ribonucleic acid (RNA)” 一字不差地答出。更令人百思不解的是：就算明知死背專有名詞無助於實驗的設計與進行，許多同學仍在考試前囫圇吞棗地記了一堆不知所云的英文專有名詞，希望腦中的暫存記憶，能提高猜中答案的機率。當然，這樣的學習態度不可能獲致令人滿意的成績。但更大的副作用還在後頭：同學們對分生漸行漸遠，不僅萌生退意，甚至產生了敵意！

　　為何同學們不願腳踏實地治學，以及主動釐清分子反應機制？重要的關鍵之一，在於興趣缺缺。實際上，這樣的問題並非僅存於分生一科，許多科目的學習瓶頸亦頗為類似。究其個中原因，我發現同學們仍把大一、大二、大三，當作高四、高五、高六，沿襲被動的學習方式，習慣「等待標準答案」，而非主動發掘答案。講得更明白些，同學們已習於、惰於、甚至懼於 “Ask Why (問為什麼)”。因為 “Ask Why” 在準備升學考試的過程，似乎效用不大，甚至曾經試著想 “Ask Why” 而被老師潑冷水的同學，亦不乏其人。就我個人的觀察，一旦在學習的過程停止 “Ask Why”，接下來連思考 “Why Me (為何是我？)” 的動力都會大幅下降。如此一來書讀不懂，又逃避面對自己、面對人生，自然而然地會選擇 「面對電腦」。然而，對於解決學習和人生的問題卻幾乎沒有助益。

　　我很高興看到武村政春博士繼《世界第一簡單分子生物學》，又推出《3 小時讀通 DNA 誕生之謎》這本極富創意的大作。這本書最大的特色，就是不斷地以 “Ask Why” 引導讀者瞭解 DNA 的真面目。同時，藉由不斷地 “Ask Why”，啟發大家想更進一步探索 DNA 的強烈動機。不約而同地，近幾年改版的分生或遺傳學原文教科書，紛紛以更顯著的篇幅介紹科學家與他 (她) 們的科學貢獻，甚至在每章另闢專欄作頗為詳盡的介紹。武村博士這本新著，乃是以更生動的筆觸，佐以最親切活潑的插畫，將從事 DNA 與 RNA 研究的科學家以及其研究成果，呈現於讀者眼前。難能可貴的是：藉由 “Ask Why”，把科學家們曾經想過，或還正在構思的理論，和讀者們分享。

　　由於教育的普及，大部分的同學在國中階段就學到了 DNA，接著高中再多學一些；到了大一的普通生物學和大二的生物化學又再學了一遍 “進階英文版的 DNA”。因此，到了大三的分生課程，許多同學們一開始對於學習 DNA 的構造和化學特性都掉以輕心，以為只是炒冷飯。等到察覺有許多的重點是以前未曾釐清和吸收，不幸為時已晚，第一次的期中考自然慘遭滑鐵盧，只能等待第二、三次的期中考敗部復活。面對如此之 “學習疲乏症候群”，唯有改以經常 “Ask Why” 的學習方式，才能讓自己更加積極、更加謙卑地面對遺傳密碼的奧祕。武村博士這本饒富創意的大作，相信對於治癒 “DNA冷感症” 或是 “DNA恐懼症”，應頗具療效。對於 DNA 的初學者，我相信您們一開始就會被武村博士 “Ask Why” 的學習方式啟發，再也不敢輕看 DNA 雙螺旋，並且產生濃厚的興趣，把具有超過三十億年歷史的 DNA，在三小時內先睹為快！

　　當然，我更期待讀者們接受、享受 “Ask Why” 這樣的學習方式後，能夠無所畏懼地挑戰 “Why Me” 的這個大哉問，進而開創更真誠積極的人生！

臺灣大學昆蟲學系/生物科技研究所
張俊哲
2013年4月

前言

　　DNA相關書籍雖然可以堆成一座山，但卻幾乎沒有關於DNA「誕生」的書籍。這類書籍鮮少出版的原因，簡單地說，是因為對於DNA的「誕生」尚未明暸。

　　DNA是遺傳基因的真面目，是在高中會教授的物質，近來也經常運用在犯罪調查及個人身分鑑定等方面。說到這裡，一般人在形容個人的能力或企業的風氣時，也會以「誰誰誰的DNA」、「怎樣的DNA」來比喻。以生物學用語來說，DNA算是膾炙人口。

　　當然，不單單是名稱，DNA在原本「歸屬」的分子生物學領域中，研究亦顯著進展，目前人類基因組計畫已大致完成，此「物質」的形狀、結構及運作方式等等，許多部份皆已可得到解釋。但是……

　　不知為何，DNA的「誕生」，即DNA是如何製造出來的，並且如何成為遺傳基因的真面目運作的，此方面卻絕大部份都尚未明瞭，仍然是個謎團。

　　如同地球及宇宙都有「起源」，DNA自有其「誕生」。DNA的名字雖然廣為人知，但是關於起源的科普解說書卻少之又少。的確，在這個領域的知識尚未足夠到可以完全解說的程度，但是筆者經常思考：就此止步即可嗎？雖說尚未完全明暸，但截至目前為止，眾多研究人員的足跡，都以論文的形式留下。筆者就暫且在這裡介紹這些足跡，向DNA誕生的謎團挑戰吧！這樣的想法是為本書執筆的動機。

　　因此，本書介紹的內容，大多都還在假說階段。如果時光機開發成功，可以回到DNA誕生時期的地球，使用化學分析裝置分析DNA的形成，或許會發現本書的內容「並非完全想像」。

　　本書針對DNA的「誕生」，以及生命的「起源」，一方面介紹研究人員（本書介紹的研究人員僅為一部份）目前為止的想法，一方面著力於DNA所具的化學特徵，以及作為遺傳訊息物質的實際運用。本書並非介紹關於生命起源的「最新消息」，內容也並非DNA「誕生」相關學說的全部；礙於篇幅，只能囊括其中一小部份。雖然內容並「不完整」，但是筆者認為，透過閱讀本書，希望讀者能對這個未知的領域產生興趣。

　　本書內容出現許多化學式，但筆者撰寫時認為，即使忽略這些化學式，只閱讀本文，也可以充分理解，有時會書中會出現披著白色實驗服的胖宅男，請隨意想像此人身份，不必太過在意，敬請讀到最後。

　　本書由日本橫濱國立大學的小林憲正博士及東京藥科大學的山岸明彥博士給予專業範圍的校正及意見。法國巴斯德研究所的帕垂克?福特拉（Patrick Forterre）博士及美國國家衛生研究院（National Institutes of Health，NIH）的尤金?庫尼（Eugene Koonin）博士則指導本書介紹的假說內容與參考文獻。在此致上深深的謝意。

武村 政春 博士