2008-04-22

[文摘]生物無機化學與生物/地理化學循環 ◎Edward I. Stiefel

印卡 撰


經 由生命地球地表因而形塑。我們的行星在太陽系是如此獨特,甚至在宇宙之中也可能是如此。地球上,大氣與生物圈是如此特別地存在而且維持自身遠離化學平衡, 你不說不尋常也不行。地球的大氣組成經地理與生物塗境的整合,橫越地理時間演化而成。地球的生物執行著多樣的化學轉換結合他們新成代謝的必需物來生存。這 些最終的產物與副產物已改變了地球,同時也維持了當今地球各式各向生命形式的生態區位。我們知道,至少在定性的形式,元素的生物/地理化學循環維持了地球 生命在全球、區域與當地環境的存在、延續與多樣性。

每個主要生化元素﹝碳(C)、氫(H)、氮(N)、氧(O)、硫(S)、磷(P)﹞都有詳密的循環過程。包括V(釩)、Mn(錳)、Fe(鐵)、 Co(鈷)、Ni(鎳)、Cu(銅)、Zn(鋅)、Mo(鉬)與W(鎢)的主要微量元素也透過它們在金屬酵素(metalloprotein)的基本角色 在主要元素的循環扮演重要角色。在二十世紀的後半已看到對許多基本反應過程與生物/地理化學循環的酵素催化劑的闡明。這些循環的定性描述與他們演化、整合 和未來發展的了解都將是二十一世界的挑戰。

生物無機化學可能以幾個方式組成。一則是以特殊元素(例如Fe(鐵)、Cu(銅)、Zn(鋅)等)的特定分類下酵素來系統化,或者藉由反應種類來組 織不同的主題(例如氧化脢(oxygenases)、接合脢(ligases),蛋白水解脢(proteases)等)。或是取而代之,以生醫或農業方法 描述特殊生物系統的生理角色來整合這些途徑過程。

在這(章節)裡,由分子細節描述面容的生物無機化學系統將被放在地球與它多變棲地的生物/地理化學循環的脈絡之中。如此的組成是納今容古的。相較純 粹化學或是物理,生物學與地理學是歷史科學。地球上生命的演化與生命型態不斷的分化是難以言訴、無數的演化機器的結果,那些細節卻領我們到達當下的狀態。 因此,為了察覺我們將何去何從(Where we are and how we got there),用著形成我們現在的生物圈與以及它棲地上的生物的歷史與演化壓力去思考是重要的。結合這樣的觀念,加上其他有效的方法嘗試去釐清存在的理由 (raison d’être)以及了解這些力量是控制的生物無機化學系統和生物/地理化學循環持續以及在將來的發展。

後言:有人說從達爾文後科學時代就沒有說故事的能力了。在那個還可以說故事的時代末期正是西方自然主義盛行,科學家嫌詩人對世界真實描寫得不夠真,科學也 越來越少故事性,科學也逐漸有了Frankenstein(科學怪人)的形像,這樣的分離在這世紀六十年代,如戴安‧艾克曼(Daine Ackerman)說的:「所有進入波士頓大學的新鮮人都被指派閱讀C. P. Snow的《兩種文化》,在美國大學這樣的學術事實中,學生必須在科學與人文做個抉擇(然而他們的興趣卻是如此廣泛及富有各種組合。」更為強烈。但在當代 的視野下,這樣的鴻溝因為環境議題、當下火熱的神經科學與心理學得到溝通的機會,甚至文化地理學影響下的人文面貌、甚至是社會科學都不再是如此迴避將世界 分為兩半。同時許多科際整合也替許多學科之間的誤解帶來契機。

生物無機是其中一個有趣的而且有挑戰的領域。此文中所提到生物/地理化學循環,其實也隱含著多年前由英國化學家洛夫洛克(James Lovelock)與馬古利斯(Lynn Margulis)所合作提倡的蓋亞假說(Gaia),比如2006年William B. Whitman與Mary Ann Moran的團隊指出全球硫循環中DMSO的釋出端賴海洋細菌(marine bacterioplankton)的代謝,就是一例,更熟悉的還有我們熟知的氮氧、碳、氧循環,這些問題的各個層次是(生)化學家都可以努力的部分。還 記得去年Nature一篇問起到底化學還有沒有大問題?這次再次回頭看就更多了點工具理性的作祟。之所以譯出此段文字一方面提醒自我問題意識的重要,另一 方面,正如文中將歷史意識帶入化學思考或許新的觀點,或是2007年Carrie M. Wilmot一篇介紹含鐵酵素與氧的共同演變的文章〈古老而親暱的關係〉(〈An Ancient and Intimate Partnership〉所暗示的,化學研究其實換個觀點帶點想像力,地質歷史意義的介入,分子的互動/演進史就是新的視野了。

摘譯自:Biological Inorganic Chemistry (2007)
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