微生物學的動畫 ｜ 朱百力 ｜ TEDxSydney

我們無法直接觀察分子及其作用——朱百力（Drew Berry）想要改變這一點。 他展示在科學上精準有趣的動畫，能幫助研究人員看到體內細胞的運作過程。

此演講是以 TED 會議格式進行的 TEDx 活動，由當地社區獨立組織和舉辦。 請至 https://www.ted.com/tedx 進一步了解詳情。

我將要展示驚人的分子機器

能造出人體的生命結構。

分子真的很小。

真的非常小。

它們比光的波長更短，

因此我們無法直接觀察它們。

但是通過科學，我們確實

對分子的世界有相當好的認識。

雖然能我們真能說明
有關這些分子的種種，

但無法直接把分子秀給你看。

繪圖是個解決辦法。

而這不是什麼新法子。

科學家一向用圖片來闡釋

他們思考及發現新知的過程。

他們繪製自己用眼睛觀察的圖像，

或通過用望遠鏡、
顯微鏡等技術之所見，

以及在他們腦裡思索的事物。

我選了兩個著名的例子，

因其以藝術表達科學而聞名。

先從伽利略（Galileo）開始，

他用世上第一台望遠鏡觀察月球，

改變了我們對月球的理解。

人們在 17 世紀時

認為月亮是個完美的圓球。

但伽利略卻看到一個
坑坑洞洞的貧瘠世界，

他用水彩畫出所見。

另外一位很有想法的科學家

是生物學的超級巨星
查爾斯．達爾文。

在筆記本的這幅著名插圖裡，

他從左上角以「我認為」開始，

勾勒出第一棵生命樹，

這就是他對地球上所有物種、

所有生物通過進化史
如何聯繫在一起的理解——

物種起源如何經過天擇，

從始祖群體分支出新的物種。

即使身為科學家，

我以前聽分子生物學家的演講，

也發現難以全然理解他們，

因為他們用技術性語言和行話
描述他們的工作。

直至我看到戴維·古德塞爾的作品，

他是斯克里普斯研究所的生物學家。

他的圖片樣樣準確，全按比例繪製。

他的作品向我闡明

我們體內的分子世界是什麼模樣。

在左上角的黃綠色區域

是血液組織的橫切面圖。

這塊黃綠色的區域是血漿，
絕大部份是水，

但也有抗體、糖、賀爾蒙等等。

紅色區域是紅血球的切片。

這些紅色分子是血紅素。

它們真是紅色的，血液因此呈紅色。

血紅素充當分子的海綿，

吸收肺中的氧氣，

將其帶到身體的其他部位。

多年前，我從這張圖得到許多靈感。

我想知道是否能用計算機繪圖

來表示分子的世界。

它會是什麼模樣？

我就從此開始畫。

讓我們開始吧。

這是經典雙螺旋形式的 DNA。

因為是 X 射線晶體攝影，
所以是 DNA 的精確模型。

如果拉直雙螺旋並拆開兩條鏈，

就會看到這些看起來像牙齒的東西。

這些是遺傳密碼的字母，

寫在 DNA 內的 25,000 個基因。

這就是人們通常所說的遺傳密碼。

但我要談談 DNA 科學的另一面向，

那就是 DNA 的物理本質。

正是這方向相反的兩條鏈，

目前我暫時無法詳加說明。

但是它們的物理方向相反，

會給活細胞帶來許多併發症，

正如您即將看到的那樣，

尤其在複製 DNA 時。

我將播放的影片

很準確地畫出了

DNA 在你體內的複製機制，

那是基於 2002 年的生物學畫的。

DNA 從左側進入生產線，

碰上這組合物，
也就是微型生化機器，

它們將 DNA 鏈分開並精確複製。

DNA 進入並撞擊
這藍色甜甜圈形的結構，

DNA 被撕成兩股。

其中一股可以直接複製，

看得到它們繞到底部。

但是另一條股沒那麼簡單，

因為它必須被反向複製。

因此它在這些循環中被反覆拋出，

一次複製了一部分，

從而創建了兩股新的 DNA 分子。

人體內有數十億台這樣的機器，

在人體內部精確複製的 DNA。

這影片畫得很正確，

很近似你體內複製的速度。

我沒畫細胞的校正機制和其他的東西。

（笑聲）

這是幾年前的作品，

謝謝。

（掌聲）

這是幾年前的作品，

接下來我將展示更新的科學，

是更新的技術。

我們一樣從 DNA 開始。

因為它被其他分子包圍，
所以搖搖晃晃。

我沒畫其他分子，這樣才看得清楚。

DNA 大約兩奈米寬，確實很小。

但在每個細胞中，

每條 DNA 鍊約三千至四千萬奈米長。

因此，為了保持 DNA 的順序

和調控其遺傳密碼的讀取，

紫色的蛋白質包圍著 DNA——

這裡塗成紫色——

它們被打包，捆綁在一起。

在這裡看到的是單鏈 DNA。

這整捆的 DNA 叫做染色體。

我們等一下再回來談染色體。

我們將鏡頭拉遠，縮小畫面，

穿過核孔，

核孔是到細胞核的通道，

而 DNA 就在細胞核裡。

這些相當於一學期生物學的課，

而我只有七分鐘的時間，

我們今天能不能細說呢？

不，有人告訴我「不行。」

這是用光學顯微鏡看到的活細胞，

是用延時技術拍攝的，
因此看得到它在動。

細胞核套膜分裂。

這些香腸狀的東西就是染色體，

我們聚焦看它們。

它們聚焦於紅點的動作
非常引人注目。

細胞準備就緒時會撕開染色體。

一組 DNA 進入一側，

另一側獲得另一組 DNA——

DNA 的副本相同，

然後細胞自中間裂開。

同樣，你的體內有數十億個細胞

此刻正在經歷此分裂過程。

我們倒回去只聚焦於染色體，

察看和描述它的結構。

再說一遍，我們在赤道的位置。

染色體排列好。

如果只分離一條染色體，

我們把它拉出來，看它的結構。

這是人擁有的最大分子結構之一，

至少是迄今為止體內所發現最大的。

這是一條染色體。

每個染色體有兩條 DNA 鏈。

一條捆紮成一條香腸。

另一條捆紮成另一條香腸。

這些看起似觸鬚的東西從兩端穿出，

是細胞的動態鷹架，

被稱為微管，名稱並不重要。

但我們將聚焦關注此處
標記為紅色的區域——

動態鷹架和染色體間的界面。

它顯然是染色體移動的核心。

我們真的不知道它怎麼辦到的。

雖然經過一百多年的
深入研究動粒（著絲點）後，

我們才剛要開始明白它的功用。

它約由 200 類不同的蛋白質組成，

總共數千種蛋白質。

它是一個信號廣播系統，

通過化學信號進行廣播，

告訴細胞的其餘部分何時準備就緒，

何時感覺一切都對齊，

準備好進行染色體分離。

它能夠耦合到不斷增長
和萎縮的微管上。

它與微管的生長有關，

還能夠瞬時耦合到微管上。

這也是一種注意力感應系統，

能感覺到細胞準備就緒，

染色體在正確位置的時候。

這裡變成綠色，
因為感覺到一切就緒了。

大家會看到最後一點仍然保持紅色，

沿著微管離開了。

那就是信號廣播系統
發出停止的信號。

它已經離開了——
如此精準機械的動作，

像是分子的時鐘。

這就是在分子層級的運作方式。

用一點點有色的分子視覺圖像，

（笑聲）

我們有驅動蛋白，橙色的。

它們像是單向行動的分子小信差。

這是動力蛋白，正攜帶廣播系統。

腿很長，能繞過障礙物之類的。

這也是照著科學研究所畫的動畫。

問題在於我們無法用其他的方式呈現。

在科學的最前線
極限探索人類知識的極限

很震撼頭腦。

發現這些東西當然是

從事科學工作的愉快動機。

但大多數的醫學研究人員——

這些發現只是朝著

消滅疾病、消除疾病
所造成的痛苦和苦難、

使人們擺脫貧困的
宏偉目標的一小步。

因此，在剩下的四分鐘裡，

我將介紹

最具破壞性、最重擊經濟的
重要疾病之一，

每年在全世界造成數億人死亡。

再說一遍——

聲音？謝謝。

這種寄生蟲（瘧原蟲）
是古老的有機體。

在我們成為智人之前
就已存在地球上。

著名的受害者包括亞歷山大大帝、

成吉思汗和喬治華盛頓。

這是太陽剛剛西下後
一個熟睡孩子的脖子。

這是蚊子的覓食時間、

晚餐時間。

【瘧原蟲人類宿主的生命週期】

（蚊子嗡嗡聲）

這蚊子感染了瘧原蟲。

蚊子通常素食，

牠們會喝蜜露花蜜、果汁等。

只有懷孕的雌蚊會咬人，

從血液中尋找營養，
以滋養發育中的卵。

咬人時，牠注射唾液

以阻止血液凝結，

並潤滑傷口。

因為感染了瘧疾，

所以牠的唾液還含有瘧原蟲，

跟著叮咬而來。

然後該瘧原蟲離開傷口，尋找血管，

把人的循環系統

當作高速公路，

朝向第一個目標，

人體血液過濾系統的核心——肝臟。

叮咬後兩分鐘內，

瘧原蟲進入肝臟。

它感知到達目標了，
便尋找從血管的出口。

這就是瘧疾特別容易傳播之處，

因為它利用駐留血中的免疫細胞。

免疫細胞本應清除細菌
和瘧原蟲之類的外來入侵者。

但我們不確知何以

瘧原蟲會利用它們
作為進入肝臟組織的後門。

這就是免疫細胞。

瘧原蟲離開血液並感染肝細胞，

一路上殺死一個或多個肝細胞。

同樣，這發生在
蚊子叮咬之後的幾分鐘內。

一旦感染了肝細胞，

則需要五到六天的時間。

它孵化，一次又一次複製 DNA，

育出數千個新的瘧原蟲。

因此大約在被蚊子咬了一個星期後，

才開始出現瘧疾症狀。

瘧原蟲也改變了它的自然屬性；

它正朝向新的目標。

下一個目標是紅血球。

瘧原蟲的一部分轉化，

覆蓋一層像魔鬼氈的毛狀分子。

粘附到紅血球的外表面。

然後重新定向，滲透到紅血球內部。

這發生在離開肝臟 30 秒之內。

這是一個深入研究的領域——

如果能夠停止這一進程，

就可以製造用於瘧疾的疫苗。

一旦進入紅血球，

它就可以避開人體的免疫系統。

然後，在接下來的幾天中，

它將吞噬被感染細胞的內容物，

產生更多的瘧原蟲。

它還會改變紅血球的性質，

使它變黏，粘在血管壁上。

這為瘧原蟲提供
足夠的時間孵化和生長。

一旦準備就緒，

它就會從紅血球中爆發出來，

將瘧原蟲傳播到整個血流中。

瘧疾受害者發燒、

失血、抽搐、腦損傷和昏迷。

無數人因此而死。

今年將有二至三億人因瘧疾而喪命。

死於這種疾病的大多數人

是孕婦和五歲以下的孩子。

謝謝。

（掌聲）