2010年6月30日 星期三

繁星計畫、城鄉差距、形式正義

今天特地上去參加台大的椰林講堂,主要是想看看別人怎麼做;台大這些年拿了五年五百億,在提升研究的同時,他們也把部分的經費投資到教學上,我認為這個方向是正確的,畢竟要有好的學生才可能有好的研究,相對於有些老師上課潦草,卻侈言學校應該要更注重研究(當然,我想他們說的「學校應該要更注重研究」大概指得是應該要給更多經費來支持),不禁使人失笑。

台大的椰林講堂是以四個session同時進行的方式,同一個時間在四個地點有不同主題的演講,當然對於像我這樣貪心的老師來說,我事先在看schedule時其實有些真的十分難以取捨,畢竟我只有一個人,也沒有辦法同時出現在兩場演講(除非妙麗願意借我校長借他的寶貝XD),最後也只能擇一聆聽。

最後王秀槐老師針對繁星計畫的研究倒是非常發人深省。

繁星計畫原來是為了平衡城鄉差距所產生,因此全台灣的高中可以針對頂尖大學(也就是俗稱的五年五百億)以及教卓大學申請,但每個高中對每個教卓大學及頂尖大學都只能各有「一個」名額,也就是說,如果頂尖大學加上教卓大學共有50家,那麼每個高中可以參加繁星計畫的學生就只有50名;這是我在現場聽到以及理解的,不知道有沒有誤解。而繁星計畫要的是全校前20%的學生,也就是說,後面的80%是連入場券也沒有的。

既然是為了平衡城鄉差距,王老師就針對這一點來進行研究。

當然,因為當初設定就是一個高中只有一個名額,不管是明星高中或是社區高中都一樣,所以一點都不意外的,調查的結果發現,只有很少數的繁星計畫學生來自明星高中。有些高中,從創校到有繁星計畫之前,從未有學生錄取台大;因為有了繁星計畫,他們有了第一個台大的學生。而這些學生,如果跟全國的高中畢業生一起去考學測、考指考,能考上頂尖大學的並不多。

但是,這真的代表他們的聰明才智不如大都市(台北、台中、台南、高雄,尤其是台北)嗎?或者是,他們之所以學測、指考的成績不如大都市的學生,是因為他們能接收到的資訊有限,從立足點就不平等,所以表現不如大都市的學生?

王老師的研究成果證明了後者才是對的:這些孩子,進大學以後,表現得不僅不輸給指考分發的同學,甚至也不輸給以推薦甄試管道入學的同學。2008年循繁星計畫這個管道進台大的81個孩子,平均成績為班上的前1/3,因此,他們絕對跟都市的孩子一樣優秀,只是因為在「鄉下」,接收到的資訊有限,從立足點就不平等,所以考試考不過大都市的學生。

但是,除了弭平城鄉差距以外,繁星計畫是否能夠真的幫助到弱勢的學生嗎?

既然繁星計畫的目的是:扶植學習起點弱勢的學生,平衡城鄉差距,實現社會正義;所以光是看這些學生來自什麼樣的學校,是不夠的。

王老師除了分析了他們的學業成績之外,當然也分析了他們父母的社經地位。

結果可以說是不大意外,但有點失望。

王老師的分析發現:這些孩子的家長的社經地位,相比經由指考、推薦甄試、個人申請等管道進入台大的孩子的家長,並沒有差異。

因為循繁星計畫申請入學的學生,原本教育部就設下門檻要全校前20%的學生;也就是說,他們在自己的高中,是班上的佼佼者(以一般35人計算,20%需要是前七名;而且繁星計畫的算法不是以班級為單位,而是以整屆的學生為單位)。長期的研究也顯示,家長社經地位高的,相對也比較重視孩子的教育。所以,以這樣的方式選取的學生,家長的社經地位較高,並不大意外。

但為什麼說:「有點失望」呢?

因為,繁星計畫的其中一個目的不就是:「實現社會正義」嗎?

社會正義跟繁星計畫有什麼關係?

因為,正如John Rawls在他的大作「正義論」裡面提到的,如果一開始立足點就不平等,卻侈言要平等對待,這只是一種形式上的正義。對於立足點本就不平等的族群,應該也要有unequal treatment,這樣才公平。

美國的affirmative action就是由這個概念出來的,但是因為太過注重在unequal treatment的這一端,產生的結果是,弱勢族群進了他夢寐以求的學校後,卻發生了適應不良的問題,有些甚至相當嚴重。因此,美國也有一片檢討affirmative action的聲音。

台灣目前繁星計畫的作法,似乎是可以兼顧卓越與公平正義,但是仔細推敲,仍然沒有幫助到大部分的弱勢族群。

當然,這些孩子如果憑指考或學測,他們應該是上不了頂尖大學;但是,相對於他們所在的地區高中的其他孩子,這些孩子的父母比較有能力投資在教育,也願意投資在教育。在這81個孩子裡面,父母願意投資在教育,但卻因為能力不夠(也就是社經地位較低)以致於無法投資的,很少。

但是,這樣的孩子,不就是最需要幫助的嗎?幫助他們,讓他們可以成為大池塘裡的大魚(借用王秀槐老師的話),不才真的是「實現社會正義」嗎?

我自己所在的城市(花蓮),要看到這樣的家庭並不難。

這些家庭是怎樣的呢?家長並不是不想投資在教育,而是投資不起。小孩要讀書、要補習,以普通家庭的收入,每個月父母各兩萬五到三萬五的薪水,也就是說一個月家庭的收入大約在五萬到七萬之間,扣除房租或房貸、家庭常規的支出(在花蓮其實有些物資比西部貴),能剩下的錢其實不多。但是花蓮這裡的家庭,每個月能夠有五萬元以上的收入的,其實也不是多數。

花東一帶,因為收入偏低,這裡有些孩子明明學習有問題,但是光是交學費就已經很吃力了,哪裡還談得到補習?頂多是參加教會或其他機構所提供的免費課輔;既然是免費的,即使很不幸的還是聽不懂,或是因為僧多粥少,沒有辦法真正得到幫助,也不能抱怨。但有課輔可以參加的,還算不錯。有些地區因為沒有任何機構提供課輔,有提供課輔的機構又太遠,孩子想去也沒有辦法。還有的因為放學一定要回家幫忙,就算有機構提供課輔,還是不能參加。一般的家庭尚且如此,花蓮隔代教養或是單親家庭很多,這些家庭當然就更加無法負擔了。

偏遠地區的孩子補不起習,這只是城鄉問題的一個角;為什麼要補習,這是問題的另外一個角。

年輕的老師不願意留在小地方,一直往大都市去;北高以外的縣市,因為財政困難,撥不出退休金,造成老老師退不了,新老師進不來,進來了常常也留不住。就我所了解的,很多中小學常以代課老師的方式先聘,雖然說這是權宜之計,但對於被聘進來的老師來說,位置既然不是正式的,當然就會擔心是不是明年還有這份工作,於是就不可能專心在教學上。老老師退不了,有一部份原因是因為縣市政府付不出退休金,另外一部份是因為退休金的制度改了,「提早」退休福利會少很多。縣市政府付不出退休金,造成老老師不能退休,前些年甚至有新聞報導老師因為屆齡還不能退休,必須要裝病...要請醫生開證明,而且因為有醫生證明的老師也越來越多,所以還要拿著醫生證明來玩「超級比一比」~心臟病、高血壓已經是小case,不能構成退休的理由,要能找到醫生開立有精神疾病的證明才能退休。(所以要裝瘋的不是只有孫臏~唉)

但是老師屆齡而不能退休,其實產生的另一個問題是:教學的負擔,這些老老師還有辦法負荷嗎?我年過四十不久,教書也快十年,有時還真覺得體力不堪負荷(當然我有行政工作,這是另外一個issue),我沒有辦法想像十年以後,如果我還是有這麼多的教學負擔和行政工作時,我是不是有辦法像現在一樣?

不管是因為退休金改制或是因為縣市政府財政的關係讓老老師退不了,但並不代表他們還有辦法像自己年輕的時候一樣有熱情與體力在教學;而年輕人因為沒有正式的職缺或是一心想往大都市跑,造成北高以外的學校教師流動率高。這個現象尤其在花東一帶(可能還要加上屏東)更嚴重。我有個學生畢業於屏東女中,在當地算是很好的學校了,但是他的英文實在是不行。當我問他為何英文會這麼不理想,他告訴我他們三年換六個英文老師(也就是每學期一個),剛剛才適應這個老師的教學,他就要走了,所以英文當然不可能好。當時我非常的驚訝,怎麼會老師異動得如此頻繁呢?他簡單的說,有的退休、有的調職到大都市的高中(或國中),老師要走,學校也留不住;但是異動得如此頻繁,學生的學習怎麼可能會沒有問題呢?

學習出了問題,但是又補不起習,這樣當然比不上大都市的孩子。再加上資訊流通程度也不如大都市,不可諱言的,不管是學測、指考或是基測,常常會加入所謂的「時事」題;但是所謂的「時事」有時卻是以大都市的角度來看,對於一輩子都居住在花東一帶的學生,不但無法類比,也難以了解。

回到繁星計畫上。

所以,跟北高的孩子來比,偏鄉子弟因為資訊的不對稱、師資的缺乏,在學測跟指考這些求表面平等的制度下,其實都是吃虧的。繁星計畫的出現,補足了這部分一點點的缺憾。

對於在都市長大的學生跟老師來說,這一切都是很難想像的;當天的另一場演講中,也有一位老師提出,應該要讓台大的學生能更瞭解台北以外的世界發生了什麼、跟他們有多大的不同,讓這些學生能有更多同理心,當時台上的講者說,他會多找適當的例子在課堂上介紹給學生,讓學生瞭解不只是這個世界上有很多人跟你不同,即使是在台灣,一個小島兩個世界的例子多得是。

但是那位老師不知道的是,有些事情,you can't imagine it, you have to feel it.

就像這些年來一直在推動的申請入學、繁星計畫、推薦甄試,都牽涉到面試;對於社經地位較高的家庭來說可能不成問題,對於普通人家,申請一所大學,報名費+交通費+住宿費(大部分的大學都集中在西部的大都市,對於宜花東的孩子來說,不住宿就要當天往返,有時因為時間安排的關係,非要住宿不可;離島的就更不用提)大概四五千元跑不掉,如果要申請六家大學(這是100年「繁星推薦」的上限),兩三萬是一定要準備的。

但是,兩三萬可能就是一個東部家庭一個月的收入啊!我曾在坐計程車時遇到一位運將,他告訴我,當他的孩子說要申請大學,他煩惱得三天睡不著;最後他跟他的孩子說,老爸準備一萬給你,你就用這一萬元去申請,如果超過一萬老爸也出不起了。

在這樣的狀況下,孩子當然會很珍惜的使用這筆經費;也就是說,對於沒有多少把握的科系,即使很想去試試看,卻也不敢。

但是家在台北的孩子,光是台北、宜蘭、新竹、桃園就不知道有多少學校,當天來回絕對沒有問題;一樣是一萬元,因為不必一定要住宿,他至少可以多申請一家學校。如果家裡的環境又不錯,願意在這件事上投資更多,他可以申請好多家。這樣的前提下,當然可以冒點險。

如此一來,我們的申請入學,究竟是在「適才適性」,還是在篩選來自社經地位較高的家庭的子弟呢?

這樣,社會的公平正義又要如何實現?

講了一大堆,其實我的感覺就是:或許繁星計畫設下成績前20%的門檻的確是在求得實質上的平等(unequal treatments with unequals)的同時還想要兼顧卓越,但是真正需要幫助的人(也就是我在(四)裡面提到的那些人),得到幫助的比例很低。在台大提供的數據裡面,這81個學生裡面,真正來自弱勢家庭的,很少。

就好像我小孩上國中的時候,當他跟我說學校要針對整屆國一的前一百名進行課輔時,我的感覺。

「不是應該是後面的一百名才要課輔嗎?」

當然有人會跟我說,後面的一百名(他們一屆大概有三百多個學生)有些可能早就不想念書了,另外是學校要衝升學率,所以當然是抓前面的1/3來加強...但是站在教育的立場,難道後面的三分之一,或是後面的三分之二,或者是中間的三分之一,不是更需要加強的嗎?

當然講了這麼一大堆,如果就在這裡打住,一定會被批說,又一個愛批評的人!出一張嘴當然很容易,但是要拿出具體的措施來,這才是真正有難度的地方。

當然可能我的idea也不怎麼樣,我能想到的其實是從根救起。

既然我們現在有這麼多超額教師,我覺得政府可以撥出預算,聘請超額教師擔任國中小課輔。尤其是偏遠地區,可以給他們更高的鐘點費,鼓勵更多的老師去偏遠地區;必要時,更可以到府課輔。如此一來,可以解決一部份流浪教師的問題,又可以幫助需要幫助的學生。把錢花在這件事上,比辦理建國一百週年的什麼慶典,在我看來要值得多了。如果面對面上課有困難,那麼更應該撥出預算建立無線網路,在偏遠地區的小學免費供應電腦等設備,讓學生可以到學校進行線上課輔。

 至於說有些因為家貧,回家還要幫忙的學生,政府也應該要給予協助,讓他們可以安心求學。

另外是,既然要推申請入學,我認為政府應該要有些措施來補助弱勢族群申請入學的報名費跟交通費,甚至住宿也可以補助。可以規定家庭收入的門檻,撥款給各地高中讓他們提供每位學生申請一、二家大學所需的報名費、交通費、住宿費,申請的學生要寫企畫書,說明自己為何要申請這家學校,以及要申請的經費項目等。

從實質上補助這些需要幫忙的孩子,雖然不見得一定能做到「一個都不能少」,但是如果能夠多幫幾個,不是很好嗎?

理論上,如果可以「一個都不能少」當然很好,但我覺得,我們可以把「一個都不能少」當作我們的願景,也就是天邊的彩虹;現在最應該做的事,是趕緊從根救起,拉拔得一個是一個,不是嗎?

2008年7月21日 星期一

Serotonin(血清素)對於不公平境遇的影響

6月27日的「科學」期刊上有篇短短的文章,提到了當我們處在不公平境遇的時候,究竟是什麼樣的化學物質影響到我們對不公平境遇的反應。

今天,如果有人跟你說,別人給他13塊錢跟你分,要分給你6塊錢,公平嗎?聽來是蠻公平的,畢竟,錢在他手裡,雖然他得到了7塊錢,但是6塊錢也接近一半了,對吧?

但如果他說,別人給他20塊錢跟你分,但是他還是只要給你6塊錢,公平嗎?這時,你可能覺得不太公平了,但他跟你說,給他20塊錢的人說,如果你不接受,大家就1塊錢都拿不到;這時候,你拿不拿?

如果更過份一點,他說別人給他的是30塊錢,但他還是只要給你6塊,而如果你不接受,你們倆就1塊錢都拿不到....你拿不拿?

這是心理學上所謂的Ultimate Game(UG),在這個賽局中,測驗的是人對於不公平境遇的反應,別忘了,拒絕6塊錢,就是1塊錢都拿不到;這牽涉到你覺得你受到的待遇有多不公平,是不是不公平到必須要「乾脆大家都得不到」算了?

因為長久以來serotonin(5-HT, 血清素)被認為與社交行為有關,例如說有些憂鬱症的治療就用上了抑制serotonin 再吸收的 抑制劑(SSRI, selectve serotonin reputake inhibitors,其中相當著名的是Paxil以及Prozac,可以參考維基百科),因此本文的作者們想要知道,血清素在人遭受到不公平境遇的反應時,是否也有決定性的影響?

於是他們用Ultimate Game來測驗兩組不同的人,一組先服藥讓他們的血清素降低到只有正常人的15%,另一組人則服用安慰劑(服用安慰劑的人血清素並未降低,反而升高了25%),接著進行一些測驗以了解血清素降低是否造成任何明顯的情緒改變(結果顯示是沒有的),而後再進行UG。

測驗的結果發現,服藥組(也就是血清素僅剩下正常人的15%的那一組)在面對不公平的境遇時,比較會傾向於「既然那麼不公平,乾脆大家都拿不到」,也就是拒絕接受那6塊錢的反應。

這類的反應,過去使用neuroimaging(神經影像)方面的研究時,被發現與ventral prefrontal cortex(大腦前額葉腹側)有關,而這篇文章更進一步的指出血清素也與這類的反應有相當的關係。

有趣嗎?大腦的世界其實是非常奧妙的,這也就是為什麼前幾年才去世的Francis Crick(克里克,與華生共同定出去氧核糖核酸[DNA, deoxyribonucleic acid])在解讀完去氧核糖核酸的結構、並預言DNA複製為半保留(semiconservative)複製後,便一頭栽入意識(cognition)的世界再也沒有回頭的緣故了!

參考文獻:Crockett et. al., Serotonin modulates behavioral reactions to unfairness. Science. 320: 1739. (2008)

2008年7月18日 星期五

「見光死」的小巢狀麴菌

或許提到小巢狀麴菌(Aspergillus nidulans)大家都會覺得有點陌生,但是如果提到由這一類的真菌所產生的毒素中最有名的黃麴毒素(aflatoxin),相信大家都不會有「沒聽過」的反應吧。

有趣的是,小巢狀麴菌在有光的狀況下所產生的毒素量,較無光狀況下要少得多;而在無光狀況下生長的小巢狀麴菌,除了可以產生更多毒素(這些毒素統稱為mycotoxin)之外,還會產生有性孢子進行有性生殖。究竟是什麼讓小巢狀麴菌可以在無光的狀況下進行有性生殖,而又是什麼讓它在無光的狀況下產生更多毒素?而照光與否、進行有性生殖與產生更多毒素這三件事之間,是否有關呢?

在6月13日的「科學」週刊中,Braus博士的研究團隊的研究成果,告訴了我們這三件事情的關鍵都在於一個稱為VeA的蛋白質上面。VeA這個蛋白質在無光的狀況下會大量的表現,同時與蛋白質VelB結合。結合後的VeA-VelB複合體進入細胞核,與另一個蛋白質LaeA結合後,LaeA蛋白便可以經由改變染色體結構,使得那些與產生毒素有關的基因被表現出來。在有光的狀況下,VeA蛋白的表現量降低,使得他只能與VelB結合,但無法進入細胞核。

當然,到目前其實Braus博士的團隊只解開了光與產生毒素之間的關連;至於光與有性生殖之間的關連呢?目前所知的就是失去VeA的小巢狀麴菌不會進行有性生殖,只會產生無性的孢子,因此得知VeA與小巢狀麴菌能否進行有性生殖有很密切的關係。

但是VeA蛋白本身並不是一個光受器,那麼,是什麼樣的蛋白質在看到光以後與VeA蛋白作用,進而調節小巢狀麴菌的發育呢?目前可能的蛋白包括光敏素(FphA)、藍光受器(LreA與LreB)、或是隱花色素(CryA)。看到這裡,是不是覺得很驚訝竟然連真菌裡面都有這麼多的光受器?而且光受器還跟它的毒素產生能力以及有性生殖有關?有興趣的同學,可以參考6月13日的「科學」週刊!

Reinhard Fischer. Sex and Poisons in the Dark (這篇給了一個很棒的介紹)

Bayram et. al. VelB/VeA/LaeA complex coordinates light signal with fungal development and secondary metabolism. (這篇就是Braus博士研究團隊的成果)

2008年6月29日 星期日

植物如何知道何時開花?

相信同學都知道有所謂的長日照(Long-day Plant, LDP) 跟短日照植物(Short-day Plant),如果對植物比較有興趣的同學,可能還知道,決定長日照、短日照植物是否要開花的機制,其實不是日照的長度,而是連續夜晚的長度。到底長日照、短日照是如何影響到植物,使植物決定要不要開花呢?

由George Coupland實驗室發表在今年四月的EMBO Journal上的一篇文章,為這個機制提供了更多的線索。

George Coupland實驗室發現,一個名為COP1的蛋白質,在黑暗中它可以促進另一個稱為CO(CONSTANS)的蛋白質的分解;而CO蛋白存在的時候,會促進許多與開花有關的基因的表現,其中一個被稱為FT (FLOWERING LOCUS T)。

最初Coupland他們注意到,對於擬南芥(Arabidopsis thaliana,為長日照植物)來說,缺少COP1的植物,對於光週期(photoperiod)是呈現不敏感的狀態,而且不論在長日照或短日照週期,缺少COP1的植物都會提早開花。而他們同時也注意到,在長日照狀況下CO蛋白質的表現量較在短日照狀況下要來得高且穩定,而且缺少COP1的植物CO蛋白質的表現量也會大大提高;因此他們決定去觀察是否因為缺少COP1造成了CO蛋白表現量上升,最後造成開花時間的提前。

過去的研究結果發現,在植物中CO的傳訊RNA(messenger RNA, mRNA)的量並不能忠實反應CO蛋白質的量,這可以由短日照狀況下的擬南芥中看到,雖然CO mRNA的量沒有變,但是卻偵測不到CO蛋白質。由於CO蛋白本身為一個transcription activator,也就是說,它可以藉由刺激某些特定基因的轉錄(transcription),來促進這些特定基因的表現;因此Coupland等人決定從這些基因中,選擇了觀察FT的表現作為觀察CO活性的證據。

最後,Coupland等人發現,COP1藉著影響CO蛋白質的表現,影響包括FT在內的開花基因的表現。而且,COP1應該是經由促進CO蛋白質的分解,使得FT等開花基因無法表現,來抑制開花;當缺乏COP1時,植物會因為無法分解CO蛋白,使得包括FT在內的開花基因都大量表現,造成提早開花的表徵。由於COP1主要是在黑暗週期中刺激CO蛋白分解,於是缺乏COP1的植物便無法感受到黑暗週期的變化,造成cop1突變株不論在何種光週期都提早開花的表徵。

而COP1是如何促進CO蛋白的分解呢?目前Coupland等人提供的證據顯示,COP1經由在CO蛋白上加上稱為宇元(ubiquitin)的蛋白質,使得CO蛋白被細胞中負責分解蛋白質的工廠26S proteasome分解。

有趣嗎?如果想更進一步知道細節,可以參考四月的EMBO Journal: Arabidopsis COP1 shapes the temporal pattern of CO accumulation conferring a photoperiodic flowering response. (EMBO J. 27(8): 1277-1288, 2008)

2008年6月23日 星期一

兩千年前的棗子

還記得那一千三百年前的蓮子嗎?如果一千三百年前的蓮子發芽是一種奇蹟,6月13日登載「科學」雜誌上面的棗子,就更加的不可思議了。

話說這些棗子是在1963-1965年之間,在以色列南方的Masada要塞裡發現的,當時他們僅把種子給留下來,並沒有進行其他的研究,直到2005年,由Sarah Sallon等人從這批種子裡面拿出五顆,並鑑定為棗子(Phoenix dactylifera L.)後,開始進行研究。

首先他們拿了兩個種子去進行carbon dating(也就是,利用碳十四的半衰期來鑑定這個有機物是在何時產生的),發現他們大約是公元前(BCE, before the Common Era 的縮寫)155年到公元後64年之間產生的種子。剩下的三顆種下去之後,只有一棵發芽(八週)。雖然一開始長出來的葉片有些白斑,但在生長了26個月之後,這棵兩千年前的棗子大致上來說,發育狀況跟現今的棗子差不多。

根據歷史記載,棗子大約在五千年前就已經成為農作物,而由於棗子的繁殖是利用off-shoot (側苗,我不是很確定中文名稱),因此基因的變異應該不會很大;他們將這棵兩千年前的棗子的DNA取出進行RAPD(random amplified polymorphic DNA)分析,發現它跟摩洛哥種的棗子相差最多,而與伊拉克和埃及種的棗子較相近。
相關的資料,請見6月13日的「科學」雜誌:Germination, Genetics, and Growth of an Ancient Date Seed, Vol. 320, p1464。

2007年10月14日 星期日

奇妙的蛋白質

    Glutamine, Histidine 與 Isoleucine這幾個氨基酸有什麼共通性?他們都可以讓一個長達1170個氨基酸的蛋白質激?(protein kinase)保持在活化狀態!
    在今年七月出版的The Plant Cell期刊中,加州大學戴維斯分校的Lagarias博士實驗室發現:當他們把植物的光敏素B(phytochrome B)中位於GAF domain的Tyrosine利用分子生物學的方法改變為Histidine時,這個蛋白質竟然可以一直保持在活化狀態!
    說到這裡,我們就要先介紹一下光敏素B了。什麼是光敏素呢?光敏素是植物的光受器(photoreceptor),由於植物是光合自營生物(photosynthetic autotroph),因此光線的強度與光線的品質是否適合植物進行光合作用,對植物而言是非常重要的。
    怎麼說呢?光線不能太強,也不能太弱;太強會造成光合作用的光反應進行的太過於激烈,由於植物的光反應為電子傳遞鏈(electron transport chain),當電子傳遞鏈進行的速度遠高過光合作用的卡爾文循環(Calvin cycle)進行的速度時,電子就會在光系統II(photosystem II)與光系統I(photosystem I)之間產生塞車的現象。此時,大塞車的電子會與植物細胞中的氧氣(植物細胞中充滿了氧氣)進行反應,產生大量的自由基(reactive oxygen species)。這些自由基會與細胞中的脂肪(尤其是構成細胞膜的磷脂質[phospholipid])、蛋白質(protein)、甚至核酸(nucleic acid)進行反應,將磷脂質、蛋白質、核酸等大分子氧化,對細胞造成傷害,嚴重時可導致細胞的死亡!如果光線太弱時,植物會因為光合作用速率太低,產生的碳水化合物不足以提供自己的需要,此時植物必須一方面依賴之前儲存的養分,另一方面必須努力在儲存的養分消耗完畢之前儘速找到較強的光源,以提升光合作用的速率,否則植物便會因為養分耗盡而亡。
    但是光線並不是只要強度剛好就足夠了,除了光線的強度之外,光線的品質也很重要;所謂的光線的品質,其實就是照到植物的光線中必須有植物可以用來進行光合作用的波長,也就是紅光與藍光,尤其是紅光。波長為670至700奈米(nanometer, nm)之間的紅光是植物最需要的,因為介於這個範圍的紅光其能量足以激發位於光系統I與光系統II的反應中心(reaction center)的葉綠素a(chlorophyll a),接著就啟動了光反應的電子傳遞鏈。
    那麼,如果照到植物葉片上的光沒有這個範圍的紅光,也沒有藍光呢?此時由於光的波長並非植物進行光合作用所需要的,如果它仍然進行葉綠體的發育,反而對植物本身有害。對於一生出來就是異營生物(heterotroph)的我們,這個觀點可能很難想像,但是對於自營生物來說,發育出不需要的器官、組織甚至細胞都是一種浪費,甚至是一種傷害(因為消耗了辛苦合成、儲存的養分)。因此,在光線的品質不對的狀況下,植物當然會暫停進行任何與光合作用有關的發育。而光敏素(phytochrome)就是在這樣的要求下演化出來的光受器。
    光敏素是一個超過一千個氨基酸的蛋白質。在它的前半部(氨基端,N-terminal)帶有一個以共價鍵連結的色素分子phytochromobillin(PΦB)。
    光敏素感應到紅光或藍光後,埋在蛋白質中心GAF domain的PΦB會在碳15的位置進行cis-trans isomerization,使得它的D 環(距離cysteine最遠的那個五角環)翻上來,而這個小小的動作,使得整個蛋白質起了翻天覆地的變化,造成它的形狀完全改變,由不具有活性或是活性極低的Pr(red-absorbing吸收紅光) 型態成為具有活性的Pfr(far red-absorbing吸收遠紅光) 型態。Pfr 型態的光敏素會先幫自己加上磷酸根(autophosphorylation),接著再幫其他的蛋白質進行磷酸化,使其他的蛋白質活性改變(活化或不活化),於是光訊息傳導路徑(light-signaling transduction pathway)就開始了!
    根據推測,遠古的植物可能只有一個光敏素,但是經過長久的演化之後,目前存在於地球上的植物(尤其是開花植物)都帶有不止一個光敏素;如目前相當受歡迎的實驗植物擬南芥(Arabidopsis thaliana,台譯阿拉伯芥)中就具有五個光敏素,分別命名為光敏素A、B、C、D、與E。其中光敏素A與B為主要光敏素,C、D與E則為次要光敏素。但不論是主要或次要光敏素,在植物中都是屬於所謂的非必須(non-essential)基因,亦即缺少它們並不會使植物死亡;不過,對於缺少光敏素B的植物而言,缺少它雖然不會立即死亡,卻會使得植物本身喪失生存競爭上的優勢,最終仍會在野外消失。
    為什麼呢?因為光敏素B是擬南芥中負責啟動紅光的光傳導途徑的光敏素;因此,舉凡種子的萌芽、胚軸(hypocotyl)與莖的延長、開花時間的調節、開花過程的啟動(floral initiation)、陰影的趨避(shade avoidance)等等都與光敏素B有關,造成缺少光敏素B的擬南芥因為無法啟動上述的與紅光有關的光傳導途徑,使得整體植株呈現如同在缺少光線的環境下發育的型態:葉片長窄而細、整體呈現淡綠色(因為葉綠體發育不良)、節間(internode)延長、開花時間提前、種子發芽率低、植株結子率低等。
    目前已知GAF domain中最重要的氨基酸是cysteine,光敏素利用這個氨基酸和PΦB相連接。但是Lagarias博士的實驗室在研究藍綠藻的光受器Cph1時發現,除了cysteine之外,同樣位於GAF domain的tyrosine對於Cph1的活性也很重要。
    在2004年發表於「美國國家科學院院刊」(Proceedings of National Academy of Science, USA簡稱PNAS)的一篇文章中,Lagarias博士使用選擇性演化(directed evolution)的技術,由藍綠藻的光敏素中找到這個tyrosine突變為histidine的突變種光敏素,發現它發出非常強的紅色螢光。 雖然在試管中偵測時,發現它不會進行Pr跟Pfr之間的轉換,但由於這個突變種光敏素的螢光實在太強了(請看下圖A的PR-1及下圖D的Y176H),
     
    而且這個tyrosine不論在藍綠藻或是在擬南芥中的光敏素,都是存在的。所以他們決定要把擬南芥的光敏素做相同的突變,並且把它用轉殖的方法送入擬南芥中觀察。
    沒想到的是,這個不會進行正常的Pr和Pfr轉換的光敏素,在擬南芥體內卻是一直保持活化的!由於光敏素是植物的光受器,當它是活化狀態的時候,代表它就是看到了光。
    那麼,一直處在活化狀態的光敏素,也就代表它一直都看到了光,那麼會有什麼樣的型態呢?
    由於光敏素一直處於活化態,因此植物就認為現在照射到他身上的光線已經足夠,因此就會呈現矮小的狀態(上圖A,B,C的Y276H,請和旁邊的Ler<原生種>相對比)。為什麼呢?因為植物只有在覺得光不夠強的時候才會往上延長(不要忘了物理學的原理,光的強度和對光源的距離的平方成反比),因此如果今天他覺得他看到的光已經足夠,當然就不會繼續長長了!
    而且,由於這個變種光敏素的活性實在太高,使得植物在黑暗中也誤以為自己看到光,所以就長成了下圖的樣子:
    照理說,在黑暗中讓種子發芽,應該都會長得像豆芽菜(見上圖的Ler)。但是,Lagarias的突變種光敏素卻完全不是這樣,在上圖A中可以看到突變種光敏素完全沒有豆芽菜的樣子,甚至在上圖B和C中,當給予黑暗中生長的植物蔗糖時,含有突變種光敏素的轉殖植物,還可以長出一堆本葉來!
    而所有的這些,只是因為一個氨基酸的突變:由原來具有六角環的tyrosine
    變成五角環的histidine
    (P.S.連在蛋白質的月生月太(peptide)鏈的部分,只是由NH3+到CO2-(COO-)的部分而已) 
    然後就產生了如此天翻地覆的變化,而且,當他們把這個tyrosine變為glutamine(穀胺醯胺)時,也會產生一樣的效果;變為isoleucine時,也有類似的效應...怎樣?氨基酸很神奇,而蛋白質更奇妙吧!

2006年12月29日 星期五

酒精沈澱的原理

有同學問酒精沈澱的原理,
我想,根據我累積數年來教學的經驗,
這位同學應該是想要知道酒精沈澱DNA(去氧核糖核酸)的原理

DNA是雙股螺旋結構,含氮鹼基(nitrogenous base)在螺旋的中心,
帶負電的磷酸根則在螺旋的外圍 與周遭的水溶液接觸。
所以DNA是可溶於水的,但是對於有機溶劑的溶解度卻不是很高。

但是,如果直接把酒精加進去,只有少數DNA會沈澱,
那是因為乙醇(也就是酒精)有-OH基,-OH基是帶極性的,
而乙醇的乙基又不夠大,所以酒精本身還是有一點極性。

所以(重點來了),為了要有效率的沈澱DNA,
酒精沈澱的步驟是這樣做的:

一、先加入帶正電的鹽類(常用的是醋酸鈉,sodium acetate),而且要加到最後
的濃度是0.3M,如此一來帶正電的離子才會把DNA周圍帶負電的磷酸根都包起來。
所以,在實驗室裡面我們用3M的醋酸鈉,加入反應總體積的十分之一(這樣就是
0.3M了)。這麼一來,DNA就由帶負電變成不帶電,他的極性就降低了。

二、再加入三到四倍體積的絕對酒精(不含水的酒精)或是95%酒精。它的作用
是降低溶液中水的濃度,如此一來,原本DNA的陰電性被中和後,對水的溶解度
已經降低,這時再加入大量的酒精,使水的濃度驟然由原來的百分之二十五降到
百分之二十,DNA自然就沈澱啦!

在加入酒精以後,如果把整個試管放在冰上或是放到更低的溫度(冷凍庫),則可以
加速DNA的沈澱,因為物質在低溫時的溶解度一定比高溫的時候較低。因為DNA的陰
電性必須先被中和,所以一定要先加帶正電的鹽類,再加酒精,如果順序相反沈澱的
效果就會很糟喔!