- 死與新生-射線與生命的起源(Radiation)-下 2010/08/06
死與新生-射線與生命的起源(Radiation)-下
台北縣立中平國中自然與生活科技領域教師李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯經過一週的連續實驗，包括胺基酸等物質於實驗中自然產生。米勒實驗得到重大的成功和啟示，但也多處備受質疑，其中之一便是，電弧放電雖是實驗室中方便的能量來源，米勒所施加的電能卻多於自然界中閃電的能量。
這時便有另一個遠比閃電更強大的能量來源可擔負此一重任，那便是來自太陽的X光（X-Ray，波長0.1～10nm）與紫外線（Ultraviolet，UV，波長200～400nm）。
X光和紫外線的存在猶如雙面刃，它們能提供複雜有機物質形成所需要的能量，卻也能如前所述，破壞生物的遺傳物質；雖說突變可以成為天擇的材料，但突變若來的又快又多，導致原始生命的死亡，那也就沒有天擇可介入的餘地了。
尤其根據恆星的生命史來推算，35～40億年前的太陽亮度雖然只有現今的75%，但卻釋放出更多的X-Ray和UV光。那麼，太古時代的最初生命，要如何避開這來自天空的危機呢？ Continue reading →
- 死與新生-射線與生命的起源(Radiation)-上 2010/08/06
死與新生-射線與生命的起源(Radiation)-上
台北縣立中平國中自然與生活科技領域教師李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯提到「輻射線」、「放射線」，你會聯想到什麼呢？多數人立刻浮現腦海的會是核爆的巨大蕈狀雲，以及之後的一片死寂。確實，俗稱的射線，即是帶有高能量的電磁波，照射過多劑量的話，可能破壞DNA、誘發突變與癌症，甚至導致生物體死亡。但這樣一個令人望而生畏的現象，在生命演化的歷程中，卻扮演了舉足輕重的角色，而且，並不一定帶來負面的效應，而可能是極其重要，不可或缺的。
地球形成初期，會不會立刻有生物產生呢？在一顆滾燙的岩漿星球上，答案當然是否定的；但若等地殼冷卻穩定之後呢？答案仍然是「否定」。
形成地球的元素中，有許多是所謂「放射性同位素」，它們具有不穩定的原子核，會持續的「衰變」，直到形成穩定的元素為止。衰變的過程中，便會不斷的自原子核中釋放出α粒子、β粒子和γ射線，其中又以γ射線的能量與穿透力最強。唯有靜待多數的放射性同位素衰變完畢、環境背景中的射線量大幅降低後，生命才有出現的可能。這也就是地球推估年齡42億年，與生命出現的大致年代（32～35億年前）之間，有長達數億年落差的原因之一。
談到生命的起源，最經典的莫過於米勒-尤列實驗（Miller-Urey experiment），研究者將水與推測的原始大氣成分（比如甲烷、氨、氫氣等）密封於無菌燒瓶內，並以電極通電產生火花，模擬閃電。
參考文獻：
Sagan (1961) On the origin and planetary distribution of life, Radiation Res., 15, 174-192.
Cnossen , Sanz-Forcada, Favata, Witasse, Zegers and Arnold (2007) Habitat of early life : Solar X-ray and UV radiation at Earth’s surface 4-3.5 billion years ago, Journal of geophysical research, vol. 112,1-4
Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page 條目：radioactive isotopes、X-ray、Ultraviolet、GammaRay、Miller-Urey experiment- 奈米摺紙術-多面體 DNA (Polyhedron DNA)-下 2010/08/06
奈米摺紙術-多面體 DNA (Polyhedron DNA)-下
台中市立雙十國民中學自然領域王淑卿老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯請參閱：奈米摺紙術-多面體DNA(Polyhedron DNA)-上、中
2009年8月份科學期刊（Science）刊載德國慕尼黑科技大學教授笛茨（Hendrik Dietz）和美國哈佛大學教授施（William Shih）與道格拉斯博士（Shawn Douglas）等人論文「將DNA摺成扭轉及彎曲之奈米形狀（Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes）」，文中表示已成功研發出程式化自我組裝製程，以奈米摺紙術製作出3維彎曲的DNA奈米結構，這是第一次非直接拗折DNA結構，而是先經電腦程式設計出一束束交叉連接的DNA雙螺旋片段，合成產生後再插入或移除設定的含氮鹼基對，使DNA束依設計需求產生右旋或左旋的扭轉或彎曲。笛茨教授等人研發出能精準控制所合成的DNA形狀，其人工合成DNA中有種直徑50nm的海灘球外形的線框囊狀物（wireframe capsule），直徑只有 50 奈米，也有圓形齒輪狀或彎曲的管狀及囊狀（註4）。這些組件經組裝後可以合成一個更大、更複雜或其他用途的奈米工具。例如可作為奈米機器人可以裝載奈米結構藥物，跨過如細胞膜等生物屏障，達到治療效果，或是進入血管清除如膽固醇等有害物質。
註4圖片來源http://bionano.physik.tu-muenchen.de/Source/curved_shapes_sticker.png
- 奈米摺紙術-多面體 DNA (Polyhedron DNA)-中 2010/08/06
奈米摺紙術-多面體 DNA (Polyhedron DNA)-中
台中市立雙十國民中學自然領域王淑卿老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯請參閱：奈米摺紙術-多面體DNA(Polyhedron DNA)-上
1991年，陳（J.H. Chen）和喜曼（N.C. Seeman）於自然（Nature）期刊發表了第一個人造DNA立方體（cube）奈米分子，開啟了奈米科技設計與合成DNA多面體的競爭局勢。2004年，自然（Nature）期刊刊載美國加州斯克里普斯研究機構（The Scripps Research Institute in LA，世界上目前最大的私人非營利的生物醫學研究機構）施（William M. Shih）、奎斯佩（Joel D. Quispe ）和喬伊斯（Gerald F. Joyce）等人的論文「1700個核苷酸的單股DNA摺成奈米結構八面體
（1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron ）」。
註3圖片來源http://metamodern.com/b/wp-content/uploads/2008/12/Nature_octahedron.jpg
文中述及將1669個bp（base pairs，含氮鹼基）之核苷酸長鏈和5條40個bp之核苷酸短鏈混合後，經過連續冷卻、加熱，進行三維立體結構的解構(denaturation)與重構(renaturation)。最後重組成為20×22奈米的中空DNA八面體（DNA octahedron）（註3），內部可容納直徑14 nm的小球，至於每一面的三角形開口則可允許直徑8 nm的球通過。形狀規則對稱的DNA八面體皆是由三角形所組成，結構穩定不易變形。並以仿生學(biomimetics)的方式利用核苷酸聚合酶(polymerases)使DNA八面體自我複製，根據此製程還可以推廣應用設計或合成其他需要複製的DNA構造。這種中空的球體可以應用作為填装藥物或材料的籃子，攜帶特定的分子，再利用適當的訊號感應釋出球體中的分子。
科學家以DNA作為「軟體」利用它的4個遺傳密碼編寫成核苷酸序列程式，再以酵素（如限制酶FokI）或其他分子當作「硬體」，以搭載一段具有軟體功能的DNA序列，然後進行密碼讀取-轉錄或修飾。甚至輸入其他的DNA片段與原先之「軟體硬體複合物」進行反應，最後合成另一段DNA序列，以這種類似數學抽象計算的邏輯機–圖靈機（Turing machine，用機器來模擬人類以紙筆進行數學抽象計算過程的裝置）與生物分子計算技術等統整，再將新合成的DNA序列應用於藥物治療。這種結合生物科技、資訊科技與奈米科技合成的DNA多面體，是未來應用於臨床醫學甚至電子業的熱門材料。
請參閱：奈米摺紙術-多面體DNA(Polyhedron DNA)-下
參考資料：
1. Shih W.M., Quispe J.D.,& Joyce G.F., A 1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron. Nature, 2004, 427, 618-21.
2. Rothemund Paul W.K., Folding DNA into nanoscale shapes and patterns. Nature, 2006, 440, 297-302.
3. Dietz H., Douglas S.M., and Shih W.S., Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. SCIENCE, 2009,325,725-730.- 奈米摺紙術-多面體 DNA (Polyhedron DNA)-上 2010/08/06
奈米摺紙術-多面體 DNA (Polyhedron DNA)-上
台中市立雙十國民中學自然領域王淑卿教師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯
註1 圖片來源http://www.nature.com/nature/journal/v452/n7184/images/nature06597-f1.0.jpg
自1953年，華生（James Watson）和克里克（Francis Crick）發現DNA雙螺旋構造（DNA double helix）以來，DNA的構造、功能與應用一直是熱門的研究範疇。DNA的構造以4個含氮鹼基A和T、G和C以互補形式分別排列於兩股上，並且能正確的自我複製（self-replication）和自我組裝(self-assembly)。A、T、G、C就像4個密碼儲存於電腦磁帶般建立了生物體內龐大的遺傳密碼資訊。
1990年，由美國能源部和國家衛生研究院啟動人類基因組計劃(Human Genome Project，HGP)，應用生物資訊學（Bioinformatics）的技術以基因定序（Genome Sequencing）解讀出人類23對染色體中約30億個核苷酸(nucleotide) 的含氮鹼基（nitrogenous bases）組成排序，並研究出人類約2萬5千個基因(gene)的所在位置及功能。
註2 圖片來源 http://metamodern.com/b/wp-content/uploads/2008/12/Nature_origami.jpg
- 內共生理論（下） 2010/08/05
內共生理論 (Endosymbiotic Theory) -下
國立苗栗高級中學生物科郭美貞老師/國立臺灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯請參閱：內共生理論(Endosymbiotic Theory)-上
比較核糖體的同質性，會發現粒線體中的核糖體很類似細菌的核糖體，例如：它們都對鏈黴素等抗生素敏感，但卻不同於真核細胞中的核糖體。除此之外，粒線體還具有自我分裂的能力，而且還是和細菌相同的二分裂法（binary fission）：先從中央凹陷、束緊、再一分為二。這些特徵都指向了「粒線體曾經是細菌，後來進駐另一種大型細菌與之共生」的想法。粒線體的祖先可能是一種好氧的（aerobic）掠食細菌，會侵入真核細胞的細菌祖先體內吸取養分，並在其中進行複製。在演化的長河中，這種掠食關係逐漸轉為互利共生的關係，共生建立起來後，細胞可以提供粒線體養料，粒線體提供細胞能量（ATP）。 Continue reading →
- 內共生理論（上） 2010/08/05
內共生理論 (Endosymbiotic Theory)-上
國立苗栗高級中學生物科郭美貞老師/國立臺灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯地球上生物的演化，從原核細胞 (prokaryote) 跳到真核細胞 (eukaryote) 的過程是很突然的。原核細胞所有化學反應都混在細胞質 (cytoplasma) 裡進行，而真核細胞比原核細胞更大、更複雜，在細胞內發展出迂回曲折的內膜 (endomembrane)，包括圍繞著染色體 (chromosome) 的核膜 (nuclear envelope)，以及利用氧氣產生能量的粒線體 (mitochondrion)，開始發展「將不同反應放在不同胞內構造進行」 的能力。
有細胞核的真核細胞，繼續演化出更複雜的多細胞生物，形成現在地球上多采多姿的生物世界。真核細胞的出現可說是生物史上最戲劇性的一幕，到底事情是如何發生？ Continue reading →
- 淺談能量的流動與散失(ATP) 2010/08/05
淺談能量的流動與散失(ATP)
台北縣立中平國中自然與生活科技領域李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯若論數量，是翱翔在天空的雄鷹，還是橫行地表的鼠輩較多？即使不常接觸自然，多數人也能近乎直覺的回答：「當然是後者」。但基於什麼原因，讓掠食者的數量往往少於牠的獵物？為什麼非洲草原上不是數以千計的獅子追逐屈指可數的羚羊呢？要回答上述問題，必須從「能量」的角度下手。
生物以及生存環境無法超越物理原則的限制。熱力學第一定律（The first law of thermodynamics）告訴我們，能量無法被創造亦無法被消滅，只可轉變形式。所以我們可將平日飲食所攝取的熱量（貯存於養份中的化學能），視情況轉變為活動所需的動能，或維持體溫的熱能等，而總能量不減。但即使總能量不變，轉換過程中仍有許多能量以熱能的形式散逸到環境中，這些「廢熱」無法做功，也無法以任何形態再被利用。也就是說，當太陽輻射照射到地球時，其中所蘊含的能量都在七折八扣中流失掉了，真正能被生物所用的僅佔極少數。
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