名人推薦：導讀　「魔法師二號」之後的魔法師

文／陳俊堯（慈濟大學生命科學系助理教授、泛科學專欄作家）

克萊格．凡特的「魔法師二號」之旅，把這一代生物學家推向了一個全新的世界。我們這些研究人員如今會過得這麼辛苦（但也開心），他絕對是主要推手之一。「魔法師二號」之旅的成就，重要到確實值得寫進課本讓後人知道。不過，重要的學術成就是放在課本和論文裡；而您手上拿著的這本書，放的可不是那些難懂的內容。這本書，是這段重要歷史的紀錄，是實境秀，是遊記，也藉由書中對專業知識深入淺出的說明，幫讀者建立一個這個世...

【序曲：見微思著】

二〇〇三年十二月，魔法師二號沿美國東岸南下，朝佛羅里達全速前進。

這則偉大故事始於一件小事。
真不是什麼大事。
先從重要人物說起。鬍鬚灰白、皮膚曬得黝黑、有著一雙冰藍眼眸的男子倚著魔法師二號舵輪獨立。魔法師二號是一艘銀白色的芳綸纖維（Kevlar）混玻璃纖維百呎大船，此刻正疾速掠過灰藍大海。在二〇一八年，這個陰沉多雲的夏日，微風吹起高約一公尺的捲浪，平穩起伏。船首上方，兩面巨大船帆迎風張揚，撐得鼓鼓的。間歇起落的海風令龐大的主帆一會兒攪動如波浪、一會兒挺直足足七層樓的身高，復又鬆弛。一再反覆、翻騰起伏的模樣彷彿擁有生命似的。
看在掌舵男子這個大型（macro）陸生物種眼裡，大海空空蕩蕩：一片由H2O組成、有浪尖點綴的液態沙漠，廣袤遼闊，無邊無際。偶有其他物種探出海面，惟這些都是毋須借助顯微鏡、肉眼可見的「大」生物。舷外數公尺有一群海豚伴游，拱背彎身如一道道炭灰彩虹。牠們從海中奮力躍起，滯空時間長得不可思議——彷彿懸在白沫浪弧之上，然後優雅滑入水中。
這片位於南緬因海岸的大海好似也有生命。船身穩定起伏，海面時而高聳、時而陷落，有時驟然平靜，復又捲起更大的浪頭，暗示遠方的暴風雨即將來臨。
你很難猜到鬍鬚男子此刻的思緒。他凝神掃視海面，專注於風、水、船帆等各種細節，腦中說不定已容不下其他——包括他憑以成名的科學研究。一九九五年，他率先完成活體生物（流感嗜血桿菌）完整基因體的定序工程；二〇〇〇年他再度勝出，憑藉主要由他構思發想、再帶領團隊開發完成的技術流程，以破紀錄的時間完成定序，交出人類基因體圖譜。二〇一〇年，他在自家實驗室合成新生命體：他和團隊用非天然的腺嘌呤、鳥糞嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶——即人工製造的DNA元素A、G、C、T——做出一套完整基 因體，置入細胞，令這隻小小細菌活了起來，有了生命。
克萊格．凡特，這名手握魔法師二號舵輪的男子可不是那種作風低調、安靜不張揚的傢伙。他的科學成就使他一戰成名，他本人的粗魯傲慢也同樣出名，總是蹦出一些不時激怒老派科學家的非正統點子。克萊格是個徹頭徹尾的冒險家，面對批評，他的回應大多是繼續埋首實驗室、做自己的事，跟他賽船、賽車或騎車時一樣。克萊格懂得把握機會，經常出奇制勝；有時候，他會把自己熱衷的事物結合在一起，以本書的例子來說就是結合航海與生物研究，而成果就是此刻這場海上混合探險。
「你說我算不算對腎上腺素上癮？」克萊格說，「多少是囉。」
這次探險有個非常明顯的起點：海洋並非只有浪尖點綴、空無一物的液態沙漠。穿過分隔空氣世界與水世界的海面，立刻就有大量海洋生物將你團團包圍：露脊鯨和長鬚鯨等不同種類的鯨群會在一年之中的不同時節留居這片海域，好幾種魚類也一樣，從大白鯊到美洲西鯡都是過客；這裡還有舉世聞名的緬因龍蝦或血海星、北大西洋瓜參等甲殼類和棘皮動物，海草、石蓴、岩藻、墨角藻及其他多種海藻更是族繁不及備載。儘管過度撈捕和污染已嚴重破壞緬因海岸、甚至是全球大部分海域，這些肉眼可見的「大」生物依舊充斥海洋，大量存在。
然而在這個狂風大作的午後，「大」並非重點。
今天將會是日後延續多年的大計畫的一部分。這項大計畫跟數百年來的幾次史詩級探險不相上下：克萊格從二〇〇三年起著手探索地球，他刮天搜地，細查覆蓋地表百分之七十的海洋，尋找小到無法以肉眼看見的微小生命。
一六七六年，荷蘭鏡片製造商暨科學家安東尼．雷文霍克（Antonie van Leeuwenhoek）首度以當時的新發明「顯微鏡」和高品質鏡片，窺見水滴內的細菌及其他生物、粒子，至今不過三百五十年。如今，人類擁有遠比顯微鏡更強大的工具，惟核心任務依舊是探索這個方圓不到五十微米的微宇宙究竟有哪些生物存在。這回他們探查的範圍是緬因灣（Gulf of Maine）海面下的浩瀚空間。
據美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）調查，全球海洋總水量約達三億兩千一百萬立方英里；如果用一公升牛奶桶計算，大概能裝滿十三億兆桶（1.3x1021）。然而，這每一個牛奶桶裝的不只海水，還有約十億隻細菌（包括類似細菌的古菌）、百億顆病毒與數不清的真核生物、藻類和真菌。從海底到海面，縱使深達數英里，每一公升海水皆含納無數生命攸游其中——它們才是這個星球的真正主宰。
單看重量，科學家估算全球細菌約可上看七十億噸，而包括人類在內的所有動物全部加起來也不過兩億噸；若計算數量，整個地球的細菌大概有五百萬兆兆（5x1030）這麼多，人類不過區區八十億（8x109）而已。
二〇〇〇年初，克萊格展開全球海洋探查，正式名稱為「全球海洋採樣探查計畫」（Global Ocean Sampling, GOS）。不少微生物學者和其他領域的科學家都不看好這項計畫，斷定海中僅存在有限的微小生命，如此大規模調查全球海洋微生物根本毫無意義。當時他們說，這場探查不過是「喜愛航海之人假科學之名行探險度假之實」，跟節制嚴謹且低調的正統科學研究扯不上半點關係。確切說來，克萊格的「全球海洋採樣探查計畫」比較接近十九世紀的科學歷險漫遊，一如年輕的達爾文乘小獵犬號尋找肉眼可見的新生命。看在多數現代研究人員眼裡，這是一種隨機且毫無章法的發現方式，跟這位擁有冰藍眼眸的冒險家的看法完全不同。
在這一天的某個時間點，探查隊成員會鬆開船帆、停下由豪華遊艇改裝而來的研究船魔法師二號，將兩百公升海水打上船，用儀器測量水溫、鹽度、溶氧量等數據。為了收集樣本，他們把幫浦扔下海，用長杆掛在舷側，邊拖邊汲水；水樣一抽上船，科學家立刻加壓、讓海水通過一層層以不鏽鋼環架起的濾膜（鋼環焊在船尾駕駛艙齒條上）。
濾膜依微生物體積大小漸次攔截，唯有體型最小者方能抵達最後一層。每張濾膜收集到的微生物都會被冷凍起來，寄回加州拉霍亞（La Jolla）的克萊格凡特研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）；研究所眾科學家再用克萊格及其團隊這些年來發明且持續改良的先進技術、數學計算與人工智慧程式，予以鑑定分析。
放在顯微鏡底下看，這些微小生物大多都是小小的圓形細胞，沒有清楚可辨的特徵；除了圓形，也有星形、橢圓形、短桿狀和螺旋形式。它們有些帶著髮樣突起物，稱為「纖毛」（pili），有些則有外殼或棘突包覆，或拖著像鞭子一樣、喚作「鞭毛」（flagella）的長尾巴。
在雷文霍克等科學家湊近顯微鏡細瞧以前，沒人想過地球上竟然還有此等世界。雖然微生物學從此成為科學主要學門，這個世界仍有許多事物等著我們去探索發現。地球的每一處角落縫隙都有微生物棲身，但它們依舊隱晦、神祕，不受重視。讀者可知，此刻正有三十八兆左右的細菌在您體內活動？從您的門齒尖到小腸絨毛、再到交換氧氣的肺泡，細菌無所不在。十九世紀「病菌說」（germ theory）雖徹底改變細菌傳染病的鑑定與治療方式，卻也留下遺毒，讓世人至今仍視細菌為壞東西，最好以抗生素除之後快。但實情是：沒了細菌，你死得更快。
在我們體內及遍布地球各處的細菌大多都是益菌，有些甚至重要到你沒它就沒命。細菌能幫助人類消化食物，調節免疫系統；說到底，連結世間萬物、將你我和土壤、大氣、湖海江河用一張大地之網串在一起，讓所有生命如珊瑚礁一般共同生活呼吸的就是細菌：堂堂五〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇（5x1030）獨立細胞支持肉眼可見的動植物界——有橡樹、蜂鳥、瓢蟲、拉不拉多和貪玩的海豚（當然還有各位），形塑你我眼中的世界。
微生物（主要是細菌）藉由分泌維生所需的化學物、或將陽光轉為氧氣和能量，撐起地球。它們是腐敗衰解的媒介，分解並吞食所有死物；它們也為重生牽線，將所有來自蒲公英、變形蟲、蒼蠅或人類屍體的生命原料回收再利用。「世間的一切都要靠微生物消化處理。」加州大學聖地牙哥分校斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography, SIO）微生物學家傑克．吉伯特教授（Jack Gilbert）表示。「沒有細菌，我們大概會陷在深度及膝的屎尿堆裡，果皮樹皮大概會堆到跟耳朵一樣高。地球上所有有機廢物或死亡生物體都必須變回生命初始的化學物，譬如碳、氮等等，而這些回收再利用的工作絕大部分由細菌完成」。
隨著科學家發現越來越多這類細胞工廠及基因，他們也找到生質能、藥物、或是更乾淨安全的工業化學可用新資源。不論自然存在或人工合成，細菌都是製造抗生素、維生素、酵素、溶劑、飲品、食品等各種產品的關鍵。科學家也會利用天然或生物工程操縱的細菌來生產替代能源，譬如用纖維素製成氫燃料和生質酒精。海洋中的光合菌則是遏止氣候變遷的關鍵，因為這些細菌跟樹木一樣能吸收二氧化碳，釋出氧氣。
美國前副總統高爾（Albert Gore, Jr）曾製作紀錄片《不願面對的真相》（An Inconvenient Truth），描述人類活動使大氣累積越來越多的碳。片中有一段鮮少人注意到的轉折：猶如洪水壓境的碳與其他污染物也會破壞地球微生物界的物種平衡。過多的碳會破壞海洋系統、威脅浮游植物（phytoplankton），而浮游植物不僅能吸收二氧化碳，地球近八成的氧氣也出自於這群小生物。碳越多，意味著生活在「死區」（dead zones）的微生物也跟著變多。這些氧氣耗竭的水域大多充斥著農地、草地施肥後沖進河海的氮、鉀、磷等元素。就拿墨西哥灣來說吧，密西西比河出海口以南約六千平方英里的區域都是死區；又譬如波斯灣入口的阿曼灣（Gulf of Oman），那兒的死區更是大上十倍有餘，面積達到六萬三千七百平方英里。糟糕的是，魚類和其他需要氧氣才能呼吸的大生物根本無法在死區生存，遂造成蝦類生長遲緩或停滯等異常變化。
就這樣，人類活動逐漸干擾這五百萬兆兆單細胞生物的工作，害它們無法好好維繫全球生態健康，滋養生命。要是人類再繼續這樣破壞下去，微生物或許還有辦法像過去三十五億年來這般適應求存（早期地球的大氣含碳量比現在還高），但人類不同：人類應該不可能這麼快適應劇變。
魔法師二號於二〇〇三年展開科學探查之際，微生物學家成功培養的細菌種類（包括海洋及其他水生菌）還不到當時已知菌種的百分之二。在散彈槍定序法及細菌DNA鑑別系統問世以前，微生物學家只能用培養基養細菌、使其繁殖複製，藉此取得足夠的菌體進行鑑定。
二〇〇三至二〇一八年間多次隨魔法師二號出海探查的科學家懷抱著一個目標：發現並瞭解更多有關這另外百分之九十八、未能在實驗室培養的細菌。克萊格計畫探索大世界裡的微小生物、進行全球大規模基因定序的驚天念頭則讓這個目標有了實踐的可能。這群科學家從近海開始收集樣本，一路遠行至加拉帕戈群島、巴拿馬運河、澳洲塔斯馬尼亞、阿拉斯加冰河灣國家公園以及波羅地海和柯提茲海；途中也免不了下船採樣，範圍擴及臭池塘、南極大陸、礦坑深處、亞馬遜叢林、火山口和紐約市上空的大氣層。
這一系列探查持續至二〇一八年，總計發現超過一億個基因（人類基因體約含兩萬個基因）。克萊格與同事們將這數十億組鹼基對——也就是腺嘌呤配胸腺嘧啶（A-T）、胞嘧啶配鳥糞嘌呤（C-G），兩兩一對如繩梯梯級組成雙股螺旋DNA——保存在基因銀行（GenBank）和「海洋微生物生態高等研究暨分析計畫社群網路基礎架構」（CAMERA）這類公開資料庫裡；前者由美國國家生物技術資訊中心（National Center for Biotechnology Information, NCBI）負責維持，後者由高登摩爾基金會（Gordon Moore Foundation）贊助管理。
然而不論收集多少樣本、微生物、基因和鹼基對，這些從來都不是重點。克萊格的全球採樣探查計畫只是他一九九五年以流感嗜血桿菌完成史上第一宗細胞基因體定序開始，所展開的浩瀚旅程的一部分。一開始他拿細菌做實驗，改良散彈槍定序法及其他技術與作業程序，大幅提升鑑定與解析包括人類在內等多個物種的基因體及單一基因構造、功能的相關研究進展，最後這一切再回過頭來造就他極具開創意義的實驗——組裝合成有機體，積極瞭解細菌功能，從DNA層次探究生命的構成要素。二〇一八年某個灰濛濛午後，橫跨十五年的魔法師二號探查之旅即將在緬因灣畫下句點。克萊格再一次凝望身旁翻騰起伏的遼闊大海：「我必須強迫自己，想像眼前每一毫升海水中都有上百萬隻細菌和千萬顆病毒。」他說。「在我眼裡，大海仍舊絕妙美麗，但它其實是一大碗生機盎然的生物湯。我們還在探索它的奧祕，試著理解蘊含其中、與地球生命有關的巨大祕密。」

【序曲：見微思著】

二〇〇三年十二月，魔法師二號沿美國東岸南下，朝佛羅里達全速前進。

這則偉大故事始於一件小事。
真不是什麼大事。
先從重要人物說起。鬍鬚灰白、皮膚曬得黝黑、有著一雙冰藍眼眸的男子倚著魔法師二號舵輪獨立。魔法師二號是一艘銀白色的芳綸纖維（Kevlar）混玻璃纖維百呎大船，此刻正疾速掠過灰藍大海。在二〇一八年，這個陰沉多雲的夏日，微風吹起高約一公尺的捲浪，平穩起伏。船首上方，兩面巨大船帆迎風張揚，撐得鼓鼓的。間歇起落的海風令龐大的主帆一會兒攪動如波浪、一會兒挺直足足七層樓的身高，復又鬆弛...

導讀    「魔法師二號」之後的魔法師    陳俊堯

前言    
作者說明

序曲：見微思著

第一部    微物探查
第一章    馬尾藻海驚奇
第二章    微生物行星
第三章    化零為整的海洋基因體

第二部    繞行全球
第四章    哈利法克斯～加拉帕戈群島
第五章    法屬玻里尼西亞～羅德岱堡
第六章    海角天涯

第三部    成果
第七章    窺探無限
第八章    繁如星辰
第九章    不願面對的微生物真相

終曲：見微思浩繁

資料來源

導讀    「魔法師二號」之後的魔法師    陳俊堯

前言    
作者說明

序曲：見微思著

第一部    微物探查
第一章    馬尾藻海驚奇
第二章    微生物行星
第三章    化零為整的海洋基因體

第二部    繞行全球
第四章    哈利法克斯～加拉帕戈群島
第五章    法屬玻里尼西亞～羅德岱堡
第六章    海角天涯

第三部    成果
第七章    窺探無限
第八章    繁如星辰
第九章    不願面對的微生物真相

終曲：見微思浩繁

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