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2015年4月26日 星期日

Evidence-biased misunderstanding (3)- individually weak, collectively robust

在1920年代,因為一系列的發現,分子生物學家們開始瘋狂尋找所謂的「遺傳物質(genetic materials)」到底是什麼東西。

倘若你翻開分子生物學教科書,例如Benjamin Lewin著名的Genes系列,或由James Watson掛名作者的Molecular Biology of the Gene,在描述這段歷史的時候,多半會提到Frederick Griffith的transformation實驗、第一次確認純化DNA為遺傳物質的Avery–MacLeod–McCarty experiment,和用標定技術確認DNA為遺傳物質的Hershey-Chase experiment。後兩個實驗,一般會被當作是確認DNA為遺傳物質的重要里程碑。但如果你的教科書寫得夠仔細,一定也會提到,在這兩個研究發表之後,大多數的科學家,卻仍然不太願意接受「DNA就是遺傳物質」這樣的概念。

了解這段歷史,對於了解到底為什麼科學有其極限,以及為什麼科學如此強大,還有到底為什麼evidence-based decision是一個既主觀,卻又非常能夠讓人信賴的方法,會有很大的幫助。所以接下來,就讓我們來稍稍回顧一下這段有趣的分子生物學發展史。


【The Streptococcus pneumoniae transformation】

Streptococcus pneumoniae的中文名字,一般應該是翻作肺炎鏈球菌,而他最著名的特色,就是會在人體引起肺炎,同時他也會感染老鼠。

肺炎鏈球菌有幾種不同的亞型(strains),其中一種亞型,Griffith將之稱為S亞型,因為這種亞型的肺炎鏈球菌,在細胞壁的外頭,還有一層多醣體莢膜(polysaccharide capsule)。這種莢膜滑滑黏黏的,讓S亞型的肺炎鏈球菌,在形成聚落(colony)之後,會看起來有比較圓滑的外觀,因此被稱做是S亞型(S for smooth)。這種亞型的特色,是他在給染老鼠之後,會很快地造成老鼠死亡。

Griffith還發現有另一種亞型,他稱作R亞型。這種亞型沒有多醣體莢膜,看起來比較粗糙(R for rough),且在感染老鼠之後,也不會造成老鼠死亡

Griffith首先發現,如果他用熱殺死S亞型的肺炎鏈球菌,然後再注射這些細菌的屍體進入老鼠之中,老鼠並不會死亡。也就是說S亞型要致老鼠於死,必須要是活得才行。

但接下來Griffith發現,如果他把死掉的S亞型和活的R亞型混在一起,注射到老鼠裡,老鼠卻會死亡。更有趣的是,當Griffith再把肺炎鏈球菌,從注射了混合S和R而死掉的老鼠中分離出來,再把這些新的肺炎鏈球菌注射到新的老鼠中,這些新注射的老鼠,便又都會死亡,而且這些新的肺炎鏈球菌所形成colony,看起來會和S亞型一樣,變得圓滑。

從這些實驗的現象,Griffith推論,那些死掉的S亞型,不知道怎麼的,會把R亞型變成S亞型。這個現象,Griffith把它稱作「轉型(transformation)」。


【The Avery–MacLeod–McCarty experiment】

Griffith的研究發表之後過了大約20年,科學家開始有能力使用比較精確的分離技術。因此, Oswald Avery、C. M. MacLeod和M. McCarty決定著手研究到底造成轉型的是哪一種物質。

他們把用熱殺死的S亞型用不同的方法做簡單的分離,然後看看分離出來的哪一個部分可以用來造成R亞型的轉型。受限於當時的分離技術,以及對於到底哪個物質可以造成轉型完全沒有概念,這幾個Rockefeller的研究者,只能用相對粗糙的方離方式,依照物質的物理和化學性質,將他們大致的分離。他們發現只有其中一種分離物,可以造成轉型,且按照其物理和化學的特性,他們認為這個物質應該是DNA (The inducing substance, on the basis of its chemical and physical properties, appears to be a highly polymerized and viscous form of sodium desoxyribonucleate)。

不過這種粗糙的分離技術,以及用物理和化學性質去猜是什麼物質的方法,並不夠精確,且他們無法排除是少量和DNA性質相近,殘留在DNA萃取液中的RNA,造成轉型這個可能性,所以為了更加確定DNA就是轉型物質,Avery等人決定反過來做,使用不同的酵素,一次移除一個物質。

他們使用可以切除蛋白質的酵素(trypsin)移除蛋白質,發現S亞型的屍體依然可以造成轉型。接著他們試了可以切除RNA的酵素(ribonuclease),結果也一樣。但當他們使用只能切DNA的酵素,他們發現S亞型屍體造成轉型的能力就消失了,因此他們就下結論,認為DNA就次造成轉型的物質。而由於這個轉型物質可以一代一代傳下去的特性,因此這也被認為是第一個提供了DNA就是遺傳物質證據的實驗。


【Criticism and reluctant acceptance of the academy】

即使以現在的標準來看,這個實驗都算是做得滿好的了。但考量到當時的技術水準,這個實驗還是有很多可以被批評的地方。例如分離技術的限制,導致很多科學家認為他們的分離物可能不夠純,裡頭少量的不純物,可能會造成解讀上的錯誤。

本來Avery他們使用酵素,就是要對付這樣的批評。然而,再度受限於當時技術的限制,他們其實並沒有辦法分離出高純度的DNase,也就是只切DNA的酵素。他們能做到的,只有分離出可以切DNA的"crude extract",但裡頭到底有什麼東西,或沒有什麼東西,其實他們也不太知道,唯一能確定的是裡頭一定有可以切DNA的酵素。

這雖然是一個頗大的弱點,但卻不是Avery–MacLeod–McCarty experiment不被接受的主要理由。主要的理由是,在當時的科學界,主流的想法是蛋白質才是遺傳物質。

這個想法背後的理由很簡單:「遺傳物質必須準確傳遞非常多樣、非常複雜的性狀,所以這個物質本身的複雜度必須很高」。而由20種氨基酸組成的蛋白質,顯然比只由四種不同核苷酸組成的DNA要複雜得多。因此,雖然客觀上Avery等人的實驗提供了相當不錯的證據,支持DNA才是遺傳物質,但主觀上,大多數的科學家並沒有被這一個實驗給說服。


【The Hershey-Chase experiment】

1952年的時候,Alfred Hershey和Martha Chase做了一個實驗。當時已經知道,T2 噬菌體(phage)會感染細菌,並在大腸桿菌體內複製。Hershey和Chase認為,T2噬菌體要精確複製自己,就必須把遺傳物質送進大腸桿菌裡面。因此,如果他們能夠知道是什麼東西被送進了大腸桿菌,就能提供遺傳物質到底是什麼的證據。

前面提過,當時科學界的主流,是認為蛋白質才是遺傳物質,但是Avery等人的轉型實驗卻支持DNA才是遺傳物質。恰好,當時已經知道,T2噬菌體是由蛋白質和DNA兩種物質組成,因此就成為了解決這個爭議的好材料。

Hershey和Chase很聰明的由DNA和蛋白質的分子組成下手,利用DNA含有磷而蛋白質沒有,然後蛋白質帶有硫,但DNA沒有的特性,分別以同位素磷32和同位素硫35標記DNA和蛋白質。

他們讓帶有兩種同位素的噬菌體分別感染大腸桿菌。噬菌體在感染大腸桿菌之後,Hershey和Chase利用果汁機,輕輕的把留在大腸桿菌表面的噬菌體外殼,和大腸桿菌給分離開來。這裏的假設是,噬菌體在把遺傳物質打入大腸桿菌中,開始複製之後,他的外殼,依舊會留在大腸桿菌表面。所以如果他們能夠把大腸桿菌的外殼,和噬菌體給分離開來,他們就可以分辨到底是什麼物質留在大腸桿菌裡面,而這個東西,就應該是遺傳物質。


把大腸桿菌外殼震掉之後,Hershey和Chase利用離心的方式,把病毒外殼和大腸桿菌給分成兩層。接著他們發現,當感染細菌的噬菌體,標記著磷32的噬菌體,總是會和大腸桿菌層出現在一起,反之,標記著硫35的噬菌體,總是會出現在病毒外殼那一層。更重要的是,標記著磷32的噬菌體,其後代也會帶磷32,但標記著硫35的噬菌體,其後代並不會繼續帶有硫35。


研究至此,Hershey和Chase就可以相當有信心的下結論:會進入大腸桿菌中的物質,是DNA,而非蛋白質。且DNA可以傳到下一代的噬菌體中,所以DNA才是遺傳物質。






【Doubts remain

Hershey-Chase experiment發表之後,DNA是遺傳物質這點,應該就已經非常明顯了。然而,科學界對於這個實驗結果,卻仍然抱持著懷疑的態度。有些人依舊認為污染是一個很大的問題,另一些人則認為,噬菌體和細胞畢竟不同,所以這個結論,不見得有辦法套用到細胞中。DNA在分子組成上遠比蛋白質簡單,而噬菌體也遠比細胞在構造上來得簡單,所以DNA能夠作為噬菌體的遺傳物質,但不能作為細胞的遺傳物質,這樣的說法,似乎也有其道理。

除了這些質疑之外,也有許多科學家也開始思考,假設Hershey和Chase的研究結果是對的,那麼分子組成簡單的DNA,到底是透過什麼樣的方式,將生物體驚人的複雜性,相對精確的一代一代傳下去?也是因為這樣的疑問,才引領了之後的一堆研究,最終導致James Watson和Francis Crick找出舉世聞名,開創現代分子生物學的DNA雙股螺旋結構。

回過頭去看,我想我們可以很公平地說,Avery–MacLeod–McCarty experiment,成功的立下了DNA是遺傳物質的基石,而Hershey-Chase experiment則是讓這個DNA是遺傳物質這個假說,變得難以忽略。可是你卻沒辦法清楚地找出一條界線、一個單一的實驗或一篇論文,清楚的告訴你,DNA就是遺傳物質,case closed。在這個建立DNA是遺傳物質的過程中,每一個實驗,都是建立在先前實驗的結果之上,或著透過不同的角度,去驗證先前提出的實驗結果。在這樣的過程之中,讓眾多支持DNA是遺傳物質的實驗證據,變得越來越不可忽視,也慢慢的,變成大家的共識。


【Individually weak, collectively robust】

這段建立DNA為遺傳物質歷史,完美地說明了用科學強大與脆弱的原因。科學實驗的特點是,每個實驗,都不會是完美的。即使你設計了再漂亮的實驗,你的結論,都可能會有瑕疵與無法說服別人的地方。甚至其他人,可以光靠主觀上的不認可,就拒絕你的研究,對你的實驗結果提出許多質疑。

可是當實驗結果不斷累積,以不同角度研究同一件事,從不同面向提供指向同一個方向的證據,或著以後續實驗,強化先前實驗的結果,彌補先前實驗的弱點,補強其不足之處,研究的結果將變得越來越難以忽略,也越來越難提出有力的質疑。慢慢地,某一結論變成大部分人都接受的共識的那天,就會到來。這就是為什麼,我們會說單一實驗證據,並不是拿來當作決定性證據,但科學研究整體而言,卻是decision-making最強大的基石。

如果能夠對這點有所認知,就會明白evidence-based decision making,是一個就現有證據,主觀下判斷的過程。而隨著證據越來越多,我們的主觀判斷,會和客觀事實越來越接近,也因此會讓我們的判斷能夠更貼近現實。

這個朝客觀事實靠近的過程,經常都不是直線前進的,他會有些曲折,甚至有時會發現我們走錯了路,所以我在這系列前面的文章中,才會一直強調,提出單一論文當作證據,要別人都閉嘴的做法,並不符合evidence-based decision making的精神。

但另一方面,科學提供了我們能夠自我修正的能力,使得我們最終能夠根據一大堆證據,做出相對貼近客觀實驗證據支持的判斷,這個,才是我們要推動vidence-based decision making的最重要原因。


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