2011年6月22日 星期三

一個細胞給我兩個啟示


這是什麼?外太空星球?外星人的太空船?與上影新片《綠燈俠》有關係嗎?綠燈俠身體某部分?

這東西不是來自太空,也不是虛構,是科學家最近在美國波士頓哈佛醫學院成功研製、能夠發出激光的人體細胞。試想,在遙遠的將來,警察不用佩槍,只要用手指一指,壞人便中激光倒地,那是多麼痛快/可怕的一件事。

細胞怎樣發激光?首先認識激光是什麼一回事。相信大家都曉得一些螢光物質被光照射後,自身會發光;換言之,光可以製造光。假設我拿一只螢光錶在陽光下暴曬一整天,把其放進一個裝滿螢光錶的匣子,有什麼發生?常識說,沒什麼事情可以發生,螢光錶的光線太暗,難以激發其他螢光錶發出更多光線。再假設,我的螢光錶(包括匣子裡的)舉世無匹,耀目非常,而且匣子內壁全是鏡面,把光線反來覆去的困住,情況可會不同?一只螢光錶的耀目螢光可能照亮第二、第三只,繼而照亮更多螢光錶,使匣子內猶如白晝;打開匣子,溢出的光線照亮整個九龍。

用鏡子困着螢光物,逼使光線在內製造更多光線,射出的就是激光。哈佛醫學院的科學家抽取人的腎細胞,添上綠色螢光蛋白(green fluorescent protein,下稱綠螢蛋白)基因,使細胞在藍光照射下,散發綠色螢光。把細胞夾在兩塊鏡之間,螢光被逼來回穿梭,激活更多螢光蛋白,光能積累,便成激光。

這樣製造激光的原理與傳統並無二致,突破之處是首次運用活生生的細胞。有何用途?除了作為「生物武器」之外,我也說不清,然而兩項先例 -- 激光和綠螢蛋白 -- 可供借鑒。

激光與普通光不同之處,是其集中及不易散開的光束。上說我那載滿螢光錶的匣子打開後照亮整個九龍,其實不是準確的說法,真正的激光不會照遍四方,只會射向天空。此特性源於激光光波的 coherence,這是什麼意思呢?想像四位和尚誦經:

「……南無阿彌陀佛南無阿彌……」
「……南無阿彌陀佛南無阿彌……」
「……南無阿彌陀佛南無阿彌……」
「……南無阿彌陀佛南無阿彌……」

合唱一般,這就是 coherence。萬人齊聲,千里可聞。

不 coherent 的和尚這樣誦:

「……南無阿彌陀佛南無阿彌……」
「……阿彌陀佛南無阿彌陀佛……」
「……佛南無阿彌陀佛南無阿……」
「……彌陀佛南無阿彌陀佛南……」

先後不一,只覺嘈雜。即使每人念着同一段經文,外人根本聽不出他們念什麼。哪組和尚較具「威力」,不言而喻。

激光的基礎研究主要發生在上世紀五十年代,1964 年諾貝爾物理學獎就是頒給有貢獻的三位科學家。應用其後接踵而至,時至今日,很難想像沒有激光的生活 -- 超市的條碼,電腦的光碟,互聯網的光纖,激光矯視,各種激光美容,幻彩詠香江。較「科學」的用途包括光譜儀(spectroscope)、干涉儀(interferometer)、全息圖(hologram)、遙距監測(remote sensing)、冷凍原子(laser cooling)、光學粒子鑷(optical tweezer)、核聚變(nuclear fusion)等,用途之廣,可說無遠弗屆。基本上,任何訊息傳遞及儲存,任何影像分析,任何遙距視物,任何切割(人體或物件),任何操控微細粒子,激光都可能派上用場。如此「萬用」的發明,相信 1964 諾貝爾獎委員會萬料不到。

激光的啟示:某項發明的用途根本難以預測。

綠螢蛋白 1962 年在水母身上發現,往後一些人研究過,對其光學特性有點瞭解(如發出哪種波長,什麼情況下發光,發光原理等),如不少學術研究一樣,目的旨在揭開自然的神秘,獲得知識,「用途」還屬次要。就這樣過了三十多年,綠螢蛋白從來不是熱門的研究項目,學術圈子以外更是寂寂無聞。忽然,來了一連串突破。1992 至 1994 年間,幾組科學家發現,把綠螢蛋白基因移植至其他生物,其他生物也會發光!這結果非常重要,說明來自水母的綠螢蛋白基因不需要水母身體的其他「配套」,可以像電子零件般「裝嵌」至其他基因。裝上綠螢蛋白基因的基因,像一塊裝有綠色指示燈的電路板,當基因給細胞「閱讀」,綠螢蛋白亦會一併製造,就像電路板通電後亮起指示燈,告訴世界「我甦醒了」。綠光出現,表示某某基因正在運作,觀察基因活動從未試過如此方便。

綠螢蛋白迅速成為基因研究的「寵兒」,對生物科學突飛猛進功不可沒,2008 年諾貝爾化學獎頒給三位研究綠螢蛋白的人士,包括美籍華人錢永健(Roger Y. Tsien)及最初從水母抽取綠螢蛋白的日本人下村脩(Osamu Shimomura)。綠螢蛋白命運之逆轉,錢永健在 1998 年一篇文章中說得清楚:「In just three years, the green fluorescent protein ... has vaulted from obscurity to become one of the most widely studied ...」。人有霎時之禍福,人生如此,科學研究亦如是。

綠螢蛋白的啟示:某項發現的用途根本難以預測。

細胞發激光有什麼用途?我已經說了難以預測,但許多人仍然愛預測,不妨看看他們怎說。可以植入一些人體監察儀器,用激光把數據傳送出來;可以做些「light-based therapeutics」,用激光直接殺死癌細胞,或用激光激活一些藥物殺死癌細胞;平時照 X 光,光源在體外,激光細胞能把光源移至體內,令影象更清晰;更虛無縹緲一點,激光細胞可能啟發一種新的「人機介面」,腦神經發出激光,便能直接控制身旁的機器,所有電器、電腦、流動電話,甚至汽車、門窗、水龍頭,再不必「落手落腳」,只要腦子一轉便「隨心所欲」,你說神奇不神奇?

未來雖然難以預測,但預測未來是會上癮的。我在想,激光和綠螢蛋白都贏得諾貝爾獎,激光細胞兩者結合,你說勝算高不高?

(2011 年 6 月 22 日 信報副刊)

激光細胞是大新聞,很多科學網站都有報導:Technology Review, ScienceNOW, New Scientist, physicsworld.com, Science News, Scientific American

學術參考:
Roger Y. Tsien (1998), “The Green Fluorescent Protein,” Annu. Rev. Biochem. 67, 509–544.

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