若能更了解水晶體細胞是如何變成透明並繼續維持，或許可找到防止白內障的方法。65歲以上的美國人中，逾半數有這種視線受阻的問題。唯一的治療方式是透過手術摘除水晶體，並置入人工移植物。儘管如此，很多病人還是出現併發症，而需要進行第二次手術。由於白內障多半影響年紀大的人，對這些人而言，任何手術都是一種負擔，若有什麼辦法能減緩或停止白內障的形成，甚或使受損的水晶體恢復，將會有很大的助益。

對於水晶體如何嚴密控制細胞自殺，若能有更進一步的了解，除了能維護視力，還可以提供一些洞見，以治療因細胞過度或不當死亡而導致的病症，其中包括帕金森氏症、阿茲海默症，還有慢性感染如愛滋病等。

水晶體是活的嗎？

水晶體是生物上的奇蹟，集密度、彈性與透明於一身。只要它稍微不透明，我們的視覺世界就會變成像哈哈鏡一般，充滿變形而模糊的光影。如果水晶體有些許顏色，便會吸光，使我們看不見某些顏色。 許多動物都有半透明的部份，例如昆蟲的翅膀，但自然界中真正透明的組織非常稀有，也很難達成。人類的角膜是透明的，但它只是薄薄一層由蛋白質與醣類構成的膠狀結構，而非細胞構成的組織。水晶體則由約1000層完全透明的活細胞組成。除了視覺之外，在自然世界中應用透明度的顯著例子，只有某些海洋與淡水生物，牠們利用本身的透明融入開放水域，以躲避掠食者，水母即是其中一例。然而這類動物絕大部份只能算是「高度半透明」，還不算完全透明 。

透明並不容易達成，因為細胞中有稱為「胞器」的內部構造，例如儲存DNA的細胞核、產生能量的粒線體，以及對合成蛋白質與脂質很重要的高爾基體與內質網。每個構造都有各自的折射率，當光線穿越折射率不同的區域時，便會散射而造成某種程度的不透明。

再者，有些細胞會吸收某些光波而產生顏色。例如血球細胞中的血紅素，其獨特的紅色便是由血色素所造成。器官與肌肉由於有血液供應，基本上也呈現紅色。另外，不少細胞（尤其是頭髮與皮膚細胞）都含有黑色素，那是一種色素分子，顏色從紅到黑都有。

水晶體則沒有黑色素也沒有血液供應。不過單是如此還不足以達成透明，就像軟骨，既沒有黑色素亦無血液供應，同時也沒有顏色，但它頂多只是半透明。這是因為幾乎所有的組織、細胞或纖維都以不同角度排列，造成折射率不同，使得光線通過時發生散射。而水晶體只由一種細胞構成，而且所有細胞都精確地同向排列。

既然水晶體細胞沒有血液供應，沒有結締組織、神經組織，也沒有胞器，那麼它們還能算是活的嗎？答案視「活著」的定義為何而異。有許多小動物雖然沒有血液供應，仍然在地球上繁衍著；人類軟骨沒有血液，但任何一位生物學家都不會否認它是活的。如果「活著」是指一個細胞要有代謝，那麼水晶體細胞便是活的──儘管它只是以最低的限度活著。雖然它沒有製造能量的粒線體，某些養份與其他分子仍可藉由滲透作用，從水晶體的最外層，透過一個一個細胞慢慢地往內傳送。

胎兒時期，剛由幹細胞形成的水晶體細胞確實有著胞器，但這些胞器在發育早期便被摧毀。（成年時期，週期性形成的新細胞也會進行相同程序。）剩下的細胞質是極濃稠的「晶狀蛋白質」溶液。雖然水晶體常被形容為「像結晶一樣」，但這並非化學上的定義。化學所謂的結晶，是指離子或分子間的幾何位置有系統地重複。水晶體則是「生物性的晶體」，亦即它的細胞有著非常規則的排列。這些細胞內都有晶狀蛋白質這種大分子，它們形成仲晶排列的複合體。這種結構使細胞質在光學上十分均質，折射率在細胞內與細胞間都不會改變。

老眼矇矓

要達成透明清晰，當然要付出代價。水晶體細胞撐過胞器控制性自殺的過程，這種毀壞卻暗示嚴重的後果。失去細胞核，合成新物質的遺傳程式也就消失，成熟的水晶體細胞便無法像其他細胞一樣再生或自我修復 。

修復損傷是生物系統最主要的優點。組成人類細胞的分子，半生期通常是幾分鐘到數天；大約六個月左右，構成我們身體的所有分子，有90%已完全更新。然而，水晶體細胞卻必須工作一輩子那麼長的時間。

但水晶體細胞又缺乏修復機制，面對某些壓力時便顯得十分脆弱。例如，嚴重脫水會造成晶狀蛋白質沉澱，促使細胞碎成一堆，這便是白內障。這種小顆粒會破壞水晶體原本均質的折射率，在視野中製造出模糊的點。只要嚴重脫水幾個星期，便可能促使白內障的形成。

即使不是上述狀況，缺乏修復機能，意味長期下來小損害也會累積。經常暴露於高度活性分子（如氧自由基）或紫外線輻射，或因糖尿病而經年處於高血糖狀態，都導致許多人罹患白內障，不得不求助於白內障手術。

移除模糊水晶體的文獻記載，可追溯到公元前1800年古巴比倫《漢摩拉比法典》。古埃及、中世紀歐洲和伊斯蘭文獻都描述了如何讓水晶體與睫狀肌分離，並將水晶體下壓到玻璃體（水晶體後方的濃稠液體）中。這種方法把遮蔽物從光的通道上移除了，卻讓光線無法聚焦，因此病人只能看到模糊影像，有如在水中看東西。

17、18世紀時有了特殊鏡片，終於可以彌補無法聚焦的問題。而今日的人工水晶體甚至不需要鏡片。光是在美國，醫生每年施行的白內障手術便高達100萬件。幸好，現今的手術成功率近乎100%，且費時不超過45分鐘。不過，仍有約三分之一的病人因未分化細胞（幹細胞）造成的白內障後遺症而再度求醫。手術過程中不慎留下的幹細胞，後來開始增殖，但它們不像胚胎發育時期的行為，而是形成沒有秩序的一團，模糊了視線，必須靠手術移除。在沒有手術資源的開發中國家，有一半的盲人是白內障所造成的。單在印度，每年就有大約380萬人因為白內障而失去視力。

年老水晶體容易發生白內障，也容易變黃。吸收藍、綠光的蛋白質逐漸累積，使這些光無法到達視網膜，也使水晶體呈現黃或褐色；只有紅、黃與褐光可通過時，看到的世界便改變了（見下頁〈透過老眼作畫〉）。

控制中的自殺

近年來，科學家所做的已不只是讚歎水晶體的透明度，或是擔憂水晶體隨著老化而衰退了。他們發現，水晶體有系統地摧毀其所含胞器的過程，可能為我們提供絕佳機會，解決某些人類最苦惱的疾病。

在早期胎兒發育階段，從幹細胞形成時，水晶體細胞和所有細胞一樣都含有胞器，不過一旦分化，水晶體細胞便會摧毀胞器，只留下碎片而變得透明。這乍看沒有什麼問題，但試想其他細胞，只要DNA有少許損傷就會進入一個稱為「細胞凋亡」的細胞死亡程式，而這過程是不可回復的：破壞性的蛋白質被釋放進入細胞，打碎DNA及重要蛋白質，粒線體也不再工作，使細胞失去能量來源，於是受破壞的細胞變得支離破碎並消失。正常狀況下，受損細胞會自殺，好把空間留給新的健康細胞，否則當器官累積太多受損細胞時就無法運作了。有些狀況下，受損細胞自殺，才不會開始增殖而轉變成癌細胞。而水晶體細胞雖摧毀了自己的細胞核及每個胞器，卻又在完全摧毀之前停止，外層留下完整無缺的細胞膜，裡面留下蛋白質細胞骨架及濃稠的晶狀蛋白質漿（見96頁〈捨身明「視」的水晶體〉）。

這種中止細胞自殺的能力相當令人驚訝。科學家總是將細胞凋亡視為一個不可停止的過程，然而水晶體以某些未知的機制控制著死亡機能，所以只毀壞某些細胞成份，而保持其他部份完好無缺。幾年前，我與幾位水晶體專家開始覺得，應該有某種特定的煞車機制參與其中。我們發現，分化中細胞的細胞核或粒線體等特定部份，它們所屈從的破壞，與成熟細胞經歷的細胞凋亡是一樣的；但細胞骨架等其他構造則不受影響。這其中的含意是，水晶體細胞其實是利用死亡機能來控制分化的過程，而不是用來自我摧毀。

下一步思路就來得快了：這種機制如果可以控制細胞凋亡，應該也可以影響細胞過度自殺之疾病（如神經變性疾病）的發展。研究者如果想要利用這個力量，必須先找出使摧毀過程停止的訊號或阻擋物。同樣地，若能知道促使水晶體細胞破壞胞器的東西是什麼，或許能提供新方法來引發癌細胞自殺。

證據正一點一滴的累積。其中，由美國密蘇里州華盛頓大學的巴斯尼特（Steven Bassnett）所提出，用來解釋細胞凋亡開始的理論認為，在發育過程中，當新的水晶體細胞在既有細胞的周圍形成時（就好像洋蔥從核心往外新增一層），較老的內層細胞變得離外圍較遠，而可以抵達的氧氣量便減低。如果氧濃度降低到某種程度以下，需仰賴氧氣供應以產生能量的粒線體，完整性便可能受到破壞。細胞偵測到這種變化，便釋放出細胞凋亡因子。這個理論看來合理的部份原因是，目前已知受損的粒線體會引發人類成熟細胞的細胞凋亡。死亡機能一直處於待命狀態，如果細胞偵測到嚴重損傷，便會去掉死亡機能的阻擋物，接著一切便破壞殆盡。

同時，巴斯尼特還提出細胞凋亡的另一個可能原因，那就是在已分化的水晶體細胞中，分解葡萄糖時所產生的乳酸。水晶體中央的成熟細胞缺乏粒線體，於是藉由將葡萄糖轉為乳酸來產生能量。乳酸形成了濃度梯度，也形成酸鹼度梯度，這兩種梯度都可能開啟細胞凋亡。

其他的促發因素也同樣受到注意。現於英國威爾斯卡地夫大學的萊德（Michael Wride）與加拿大亞伯達大學的桑德斯（Esmond Sanders）指出，在人工培養的水晶體細胞研究中，腫瘤壞死因子看來可以促進水晶體細胞核的分解。腫瘤壞死因子是一種信使蛋白質，或稱為細胞素，可以當做強力誘發物，讓健康細胞或某些腫瘤細胞發生細胞凋亡。不過，目前沒有人知道在天然水晶體中，這種細胞素如何作用。

至於會對細胞死亡誘發物起反應的分子，美國麻州綜合醫院的范賴恩（Klaus van Leyen）與同事已找到一些線索。例如，他們發現15-脂肪加氧?（15-lipoxygenase）可以嵌入水晶體細胞胞器的膜，並在其上製造孔洞。這些洞讓蛋白?（毀壞蛋白質的酵素）得以進入並摧毀胞器。究竟是什麼東西在水晶體細胞分化時，於正確時間誘發15-脂肪加氧?的活性，則還不清楚。

最近，我還有其他人的研究為煞車機制提供可能的洞見。我和同事發現，人類、大鼠與小鼠的水晶體，有一種能與其他分子結合的蛋白質「乳糖凝集素-3」，在水晶體細胞仍有胞器時會產生出來，但胞器開始毀壞時其合成便減少。這種活動模式可調控細胞凋亡的過程，但我們還不知道是什麼中止了乳糖凝集素-3的合成。我們會注意到乳糖凝集素-3，是因為它參與其他組織中，和細胞增殖、凋亡及分化有關的各種生物功能。

不久前，日本大阪大學的西本（Sogo Nishimoto）發現一種DNA?（切開DNA的酵素），對水晶體細胞的DNA分解相當重要。實驗室小鼠若缺乏這種特殊的DNA?，便患有先天性白內障；且牠們的水晶體細胞細胞核，分化過程中似乎並未發生細胞凋亡式的分解；但在所有其他細胞，細胞凋亡則正常發生。（若胞器在胚胎發育時沒有毀壞，兒童可能一出生便帶有白內障；這可能是病毒感染的結果，例如母親感染德國麻疹。）

當然我們也可以想像，水晶體細胞能夠對抗死亡，並非它能在細胞凋亡進行中主動將之停止，而只不過是有些成份能夠抵抗造成自我摧毀的分子。例如，某些只在水晶體中產生的蛋白質，對可分解其他細胞中細胞骨架的殺手酵素來說，可能是「隱形」的。另外，有證據暗示，晶狀蛋白質可能在某些蛋白質周圍形成一種保護屏障，使酵素無法接近目標。

斑馬魚帶來的契機

研究一面進展之時，我們認為有一種小魚能提供大有可為的線索。斑馬魚是研究胚胎發育的極佳材料，牠的胚胎細胞數很少，發育早期透明度很高，所以專家可觀察內臟的形成。多數內臟的發展極快，產卵後48小時內便已形成；第三天，小魚孵出並開始游泳。此外，斑馬魚是脊椎動物，發育過程的遺傳控制與人類很相似。

已經有許多研究團隊對突變斑馬魚進行大規模的調查，1995年諾貝爾獎得主、德國馬克士普朗克發育生物學研究所努斯蘭–佛哈德（Christiane Nusslein-Volkard）的實驗室也是其中之一。目前發現的突變種，有些是水晶體具有完整胞器，有的則是水晶體細胞完全死亡；而且有些突變種有著類似人類的白內障。

這些實驗室正在留意上述突變是否可以提供新洞見，來了解開啟和結束細胞凋亡的機制。若然，醫學研究便可能發展出新法，來對抗細胞死亡所引發的疾病。目前，這些研究大大幫助我們了解白內障形成的機制及原因，進而引領我們降低其發展速度，甚至阻止其發生。單是這樣的可能性，便足以讓我們繼續聚焦努力。

【2004-11-01/科學人/33期/P.94】