再生：幹細胞治療、再生醫學，生命科學研究新趨勢

名人推薦：這本書展現許多非凡傑出之處，也提出一種獨特的途徑，不僅讓廣大讀者受益，也是應對人類與全球生態發展當前挑戰所必需的。這是一項重要的貢獻。
──沃爾利切克（Hanna Lucia Worliczek），奧地利維也納大學

一本真正發人深省的書，不只適合學生與科學家，也適合政治人物與一般大眾。
──羅廷格（Eric Röttinger），法國蔚藍海岸大學，癌症與老化研究所

想像你一大早起床，渴望吃個貝果並來杯咖啡。不幸的是，你切貝果時割傷手指，沖咖啡時燙傷了手。於是你的皮膚進行再生，汰換受傷細胞，傷口大概會癒合。沒多久，你就忘掉這些割傷與燙傷。但是你也可能得到感染，必須接受強效抗生素的治療。抗生素使你的腸胃不適，因為抗生素殺死正常情形下幫忙消化食物再轉換成可用能量的微生物。幸好大部分情況中，優格或其他「益生菌」等微生物會修復整個系統，重建系統的功能，讓消化作用再度恢復正常。接著，你為了讓自己好過點，可能前往心愛的森林營地。那裡發生過一場大火，燒死許多樹，留下滿目瘡痍，但是已經有新苗冒出，象徵生命的汰舊換新與再度重生。
在上述例子中，像是你的手指、消化系統以及森林，這些受傷的系統產生適應反應，進行局部修復，使整個系統的結構和功能復原。這些類型的再生有哪些方面的異同？從每一種生命系統（living system）內的再生，我們能學到什麼，我們如何把這些知識轉譯到其他系統並進行比較？政策制訂者、生物學家、歷史學家、哲學家、學生、教師及一般讀者，若能了解再生並想像這種過程怎樣在生命各尺度運作，都將能從中獲益。這本書的目的，是幫助讀者建立新觀點，把再生視為生命系統的一種過程。這種新觀點也會讓讀者體認到，所有生命系統是如何交織相連且互相影響。
一旦認識到其中的相似與關連，我們就能把某種尺度下生命系統的再生知識，應用在其他尺度的系統，因而可能治療那些使身體衰弱的退化疾病，甚至療癒受創的地球。這本書簡介了跨越各生命系統的再生概念，希望針對想學習如何在未來修復損傷的人，以及了解未來是由現在與過去造成的人，把這種想法介紹給這些讀者。雖然這本書把焦點放在生物個體的再生，卻是一系列書籍的開路先鋒，這系列將會進一步檢視不同尺度的生命，包括幹細胞、生殖細胞系、神經系統、微生物群落、生態系。
這本書裡，我們提倡一種「以系統為基礎」的途徑（取向）來了解再生。那麼，在這種脈絡下的「系統」是什麼意思？系統是由一組單元組成，單元之間以協調方式產生交互作用。如此構成的整體遵循一些規則和原理，讓單元能夠進行某種溝通與整合，整個系統因而反應靈敏且可受調節。於是萌生一種「以系統為基礎」的途徑，試圖了解系統的組成單元、單元之間的交互作用，以及支配它們的規則。我們說的系統，幾乎可以是任何尺度下的系統。你腸道裡的微生物是一個系統，合力使你手指傷口癒合的細胞構成另一個系統，位於你最愛營地的物種與無機物質還能組成更多系統。
或許有人會把我們的途徑與「系統生物學」（systems biology）這個領域搞混，系統生物學運用計算科學與數學分析來模擬複雜的生物系統，但我們做的事截然不同。我們知道，常見的情形是，研究不同尺度系統的生物學家甚至不會想到自己的發現和其他尺度有何關連，舉例來說，當我們提出想法說，森林再生的方式與手指皮膚再生一樣，生態系生態學家有時會覺得困惑。然而，檢視這種由單元整合而成的可調節整體，透過跨生命尺度的比較，我們看到許多相似之處，進而看到其中的價值。為了做到這一點，我們想要敦促讀者（以及自己）反思，我們如何從特定方式與不同系統來著手思考再生（透過歷史），以及我們如何知道這些再生知識（透過哲學）。
針對再生的研究，提供了大量關於生命系統內不同面向的再生知識，特別是生物個體的層面。然而，這些研究著眼於局部和細節，而非整個系統，因而還停留在化約主義的觀點。例如，許多研究專注在特定神經細胞，以及它們運作的方式，卻非整個神經系統。例如，有些研究專注在森林大火後某些物種的重生，而不是整個生態系，以及多物種組成的大型互動群集如何在變動環境中共同交互作用。這種情形下，狹隘聚焦使我們更不可能看到整片森林，也更不可能了解這會如何影響未來，以及為了應對氣候變遷和系統性損害，我們需要做什麼準備。
我們對於不同生命系統的再生知識日益增長，為了比較並開始從中學習，首先需要確定是否有左右各種尺度的再生的規則集合，也就是所謂的一套「邏輯」。無論什麼尺度的系統，都能歸納出特徵——系統內單元的類型、單元之間關係的類型，以及影響它們交互作用的規則集合。單元類型可能是再生肢體上的一群群細胞或分子，或是微生物群落或生態系中的特定物種。我們所說的「類型」，由它們在再生系統內扮演的角色或功能來定義。在生物體內，互動關係中的單元彼此會有交互作用，於是再生肢體裡的某些細胞可能啟動再生，活化其他細胞增生，而其他細胞則調節這些增生細胞形成替代組織。在微生物群落內，不同種微生物以類似的複雜方式產生交互作用，有些物種消失，另有一些物種取而代之。
因為從「類型」來理解交互作用和單元，它們在受損結構或功能的再生過程中會遵循模式與規則集合，也就是影響單元與關係如何作用的一套邏輯。因為再生發生於系統內，而且所有系統都可歸納出這樣的特徵，每一種生命系統各有一套再生邏輯，掌控再生於何種條件下怎麼進行。並非所有生命系統都有相同的邏輯，雖然這個問題還沒有答案，而且也正是這系列書籍所要探究的。儘管如此，這些規則集合，也就是邏輯當然有共同的特點，於是我們開啟並擴大討論這些共同點的本質。我們提問，再生在不同尺度下是否代表同一件事：各類型再生系統會做同樣的事，還是會做不同的事？跨越所有類型的生命系統，是否有一套潛在的邏輯，或者有不同的邏輯？
有一些傳統生物學家肯定會問：「這有什麼關係嗎？」由於透過典型的化約途徑，專注於獨立的不同尺度，生命科學已經成功取得許多進展，那麼為什麼還要費事，採取以系統為基礎的大規模途徑，尋找並比較橫跨生命系統的再生邏輯？因為我們相信，對於微生物群落、神經元及森林這樣截然不同的系統，比較系統內或跨系統的再生運作邏輯，可以打開一種充滿可能性的領域，能夠從每一種系統及一般生命獲得意想不到的新奇發現。
例如，再生醫學的一項目標，是修復導致人類癱瘓的斷絕脊椎神經元。科學家觀察從小鼠到七鰓鰻等一系列生物的脊椎神經元再生，並且比較每一種生物的再生情形，得到許多見解。從多樣性研究的觀點，讓科學家了解到，人類缺少什麼因子，才讓我們的脊椎神經元無法再生。這些共同點的部分答案在於基因和基因表現，部分答案在於系統單元交互作用的方式。
現在想像一下，如果我們進一步擴展觀點，把脊椎神經元的再生與腸道微生物群系（microbiome）恢復人體健康功能的情形相比，而這些微生物的方式是建立與再生前群落有相同功能的新群落結構。如果我們可以從一種系統提取出邏輯，並比較這套邏輯在其他類型的系統中如何運作，那麼對於脊椎神經元再生的理解究竟少了什麼，我們應該能獲得更多見解，甚至可能想出如何重新設計我們的系統，以進行更有效率的再生。
跨越不同尺度系統的思考還有另一項優點，這要回到所有生物的連結性來看。生物和生態系都可作為微生物群系的寄主，而微生物群系回過頭來提供關鍵功能，維持微生物、生物及生態系的健康順暢。生態系由一些大型生物網路組成，生物會有交互作用，影響彼此的生活。地球上的生命是一種網路，由互相影響的生命系統交織而成，我們清楚看到人類在當代造成的全球影響，當前的年代被稱為人類世（Anthropocene），正因為人類的活動成為一股全球力量主導這個時代。所有生命系統彼此相連，要是我們認為可以完全理解某個系統內的再生，卻不需要理解其他尺度下的再生，那就太短視了。
藉由認真把再生視為各類型生命系統至少在某些方面共有的現象，並受到一套共同規則或邏輯的支配，我們就是在致力於讓知識能在生命系統內或跨系統進行轉譯與轉移。如果我們想要達成再生醫學的目標，如果我們想要更了解地球，以減輕人類世的災害，那麼知識轉移是必需的雄心壯志。這本輕薄短小的書並沒有提供答案，也沒有提出再生的大一統理論。相反的，這本書把問題攤開來，邀請我們思考跨越所有生命尺度的再生是何種概念。
再生不是新的概念，雖然一開始的焦點在於生物個體與它們的構造。希臘神話中的普羅米修斯親眼見識到器官能夠再生的詛咒與祝福。普羅米修斯偷了火給凡人，諸神的處罰方式總是充滿創意，他們將普羅米修斯用鏈條拴在岩石上，讓他每天遭受老鷹的攻擊。老鷹白天啄普羅米修斯的肝臟，到了晚上肝臟又會再生，因此他能活下來，繼續接受折磨。事實上，人類肝臟的細胞可以重新長出細胞，進而修復肝臟的功能。古希臘人當然不知道這件事，但故事裡的真相很耐人尋味。有些人讀了普羅米修斯的故事，覺得不斷受傷的命運很恐怖，有人卻對不斷得到修復滿懷希望。再生醫學使我們身上的傷口能夠再生並獲得修補，相當於現代的普羅米修斯概念，許多人對此感到矛盾，畢竟，玩火可能帶來益處，也可能帶來危險。
古希臘人或後來的觀察者不只是把再生當成神話而已，他們也目睹到自然界中的再生現象並留下記載。西元前四世紀的哲學家亞里斯多德對於博物學有廣泛的研究，特別探討了蛇和蜥蜴尾巴的再生。亞里斯多德是細心且深具創造力的觀察家，對世界充滿好奇。他注意到蛇與蜥蜴失去尾巴之後如何再長出新的尾巴，於是從四因說（four causes）對世界的理解，發展出最早的已知理論，來解釋哪些因素導致某些情形下的再生（其他情形卻不會發生）。古代的其他觀察家也說到水螅與蚯蚓能夠再生，提出類似的問題，。
隨著時間過去，愈來愈多人接受博物學家觀察自然的心得，顯然有些器官、組織，甚至生物，在某些條件下，可以重新長出一部分或整個生命系統，然而有些器官、組織或生物，在任何條件下都無法再生。用正確的方式把蚯蚓切成兩半，你可能會得到兩條扭動的蚯蚓。切除水螅的頭部，牠可能會長出新的頭。切掉人類的一隻手臂，這個人會永遠少一隻手。到了其他尺度，微生物群落遭受破壞後，有時候還能回復功能。據說森林在火災後有時候會復原或再生，雖然並非總是這樣。面臨人類世的氣候變遷，我們可能來到更大的尺度，並且想要知道地球是否能夠進行再生，再度回到健康狀態，還是全球生態系是否將會崩潰。
這些系統的例子，都被視為可能出現再生的獨立事件，然而，我們再一次看到這些系統之間有所關連。例如，微生物群系位於蚯蚓、水螅、人類與森林之內。人類在人類世時期是驅動許多改變的主要因素，並且影響全球生態系的健康。生命系統的連結性是指，雖然我們把自然劃分成獨立的單元，試圖從不同尺度了解各系統，但是這些系統一定會給彼此帶來衝擊。看見不同尺度的生命系統發生了某些形式的再生，因而引發了原因、限制、關連與可能性的問題。
然而，當我們思考不同研究人員看待再生的方式，發現他們並非用「再生」來表達同一件事。有時候，再生代表損害或受傷後的系統回到以前，像是再生（re-generation）、回春（re-juvenation）、振興（re-vitalization）、更新（re-newal）、整治（re-mediation）、回復（re-silience）。有時候，再生的定義強調的是結果或最終狀態，例如修復（re-pair）、復育（re-storation）、複製（re-plication）、復原（re-covery）、取代（re-placement）、回復（re-silience）。至於什麼主體能夠再生，研究人員也有不同的想法。顯然生命系統可以再生，但我們必須弄清楚什麼才算是生命系統。如果再生的是系統的組成部分，那麼對於什麼才是系統的組成部分，就會有不同的看法。而何種情形才算是正常狀態，以及相對而言，何種情形才可評定為受傷或損害狀態，還有如何認定再生導致修復或修補，都有不同想法。
對於再生在不同生命系統如何展現，出現各種不同的見解，為了有所領略，我們在這裡看看再生的意義如何隨著時間演變。我們會介紹到著名的十八世紀生物學家，例如瑞奧穆（René-Antoine Ferchault de Réaumur）與錢伯利（Abraham Trembley），他們進行實驗研究可以再生的生物，像是水螅屬（Hydra）這一群生活於淡水的微小生物。他們大量探索、觀察、描述，開始想知道不同生物是怎麼再生出某些部位，但卻無法再長出其他部位。我們從歷史思考重要的例子，也提出哲學問題，探問這些研究應該如何進行、哪些能當作證據，甚至他們能否透過切下頭部或其他部位來決定何謂常態。
我們接下來會說明，這些早期的摸索工作如何隨著二十世紀生物學家摩根（Thomas Hunt Morgan）、洛布（Jacques Loeb）、柴爾德（Charles Manning Child）的研究而演變，檢視他們研究再生的實驗所採用的方法、如何找出機制，以及如何開始把生物想像為生命系統。他們強調會進行再生的生物是生命系統，這種觀念從二十世紀初開始出現。我們對這些歷史想法在實驗方面的討論，建立了再生思維的傳統脈絡，而這大多限於個別生物與生物的部位之內。
以生物個體再生的歷史研究為基礎，我們進入二十世紀下半葉，然後來到二十一世紀，各類型生命系統的現代研究愈來愈多元，讓我們對此產生概要的觀點。我們從細胞開始，特別是神經元、幹細胞，以及生殖細胞。每一個細胞本身就是個別的生命系統。細胞是單獨的生物單元，能在組織裡與相鄰細胞分開，分離到培養皿中，在顯微鏡下監測。細胞也是一大堆蛋白質與構造的集合，這些蛋白質和構造可以溝通與互動，以維持細胞本身的必要功能，還能與周遭細胞一起執行維持個體生命的必要功能。因此，神經元、幹細胞、生殖細胞既是單獨的生命系統，同時是器官、部位、個體等更大系統的單元或局部。
一個個細胞聚集組成個體，成為不同類型的生命系統。如同細胞，個體存在於更廣大的環境中，也是族群、群集、生態系等其他互連系統的組成分。生態系包含了微生物群落（本身就是系統），到動物、植物、無機物（例如岩石）等一切事物。這些組成都在維持生態系的永續生命扮演某種角色。因而系統與組成可以從微觀、個體到生態系等不同尺度來定義，我們如何定義系統與組成，會影響到我們對系統內再生的理解。
要確認某一系統內是否出現再生，通常需要比較系統受傷前後的狀態。這不是簡單的任務。讓我們回到本章的第一段。你的身體內有一個微生物群系，也就是一群幫助你消化食物的微生物——這是初始狀態。你服用抗生素，殺死腸道裡的微生物群系——這是傷害。然後你吃優格，幫腸道補充細菌，讓你又能消化食物——這是最終狀態。這樣就是再生嗎？使用抗生素之前，你腸子裡的細菌呈現特定的群落結構，有特定的物種集合彼此交互作用，維護腸道健康。後來的結果可能是系統的消化功能得到修復，讓你恢復健康，但是微生物群落很可能大不相同。在這種情形下，系統功能得到再生，雖然整個結構的細節並未真正復原。
微生物群落或生態系的再生很複雜，與細胞或個體的情形一樣不單純。例如七鰓鰻（一種無頜魚類），牠們的脊椎神經元被截斷時會進行再生，使這種基群脊椎動物恢復游泳能力。1 另外一個例子是墨西哥鈍口螈（這是一種可愛的蠑螈，深受生物學家的喜愛），牠們能夠重新長出整個肢體，皮膚也能再生，且不留任何疤痕。墨西哥鈍口螈再生出來的肢體和皮膚，結構與功能上顯然與未受損部位十分相像，而大部分系統無法達到這種程度。在這種情形下，我們思考系統受傷前後狀態的方式，以及我們是否認為再生就是結構及（或）功能的復原，都會影響我們對再生是什麼，還有再生是否真的發生，以及發生在何處等問題的思考。

（摘自第 1章）

想像你一大早起床，渴望吃個貝果並來杯咖啡。不幸的是，你切貝果時割傷手指，沖咖啡時燙傷了手。於是你的皮膚進行再生，汰換受傷細胞，傷口大概會癒合。沒多久，你就忘掉這些割傷與燙傷。但是你也可能得到感染，必須接受強效抗生素的治療。抗生素使你的腸胃不適，因為抗生素殺死正常情形下幫忙消化食物再轉換成可用能量的微生物。幸好大部分情況中，優格或其他「益生菌」等微生物會修復整個系統，重建系統的功能，讓消化作用再度恢復正常。接著，你為了讓自己好過點，可能前往心愛的森林營地。那裡發生過一場大火，燒死許多樹，留下滿目瘡...

前言

第1章 再生這種概念
第2章 觀察與實驗
第3章 再生的機制
第4章 生命系統與不同尺度

致謝
注釋
參考資料

前言

第1章 再生這種概念
第2章 觀察與實驗
第3章 再生的機制
第4章 生命系統與不同尺度

致謝
注釋
參考資料