把全身的DNA連起來，會有多長？
― 超過太陽距離的40倍以上。不過「幾百個來回」是算過頭了
一個細胞裡的DNA，拉直後約有2公尺長。把全身的DNA都連起來，長度超過地球到太陽距離的40倍。這是個驚人的數字，但常聽到的「可以往返太陽好幾百次」，其實誇大了約10倍。因為人體裡大多數細胞其實沒有DNA。
在理科課堂或科學節目裡，你是否聽過這樣的說法：「把你全身的DNA連起來，長度足以往返太陽好幾百次」。
聽到的那一刻會覺得「哇，好驚人」。但稍微一想，又覺得很不可思議。長達2公尺的細絲，怎麼可能塞進肉眼看不見的微小細胞裡呢？
而且，「幾百個來回」這個數字到底是真的嗎？這篇文章就讓我們自己動手算一算，確認看看。
決定這個數字的，只有兩件事
若以細胞數量來看，最多的其實是血液中的紅血球。紅血球在發育過程中會捨棄細胞核，所以沒有DNA。帶有DNA的細胞，大約只佔整體的一成。
收納DNA的細胞核，直徑不到百分之一毫米。DNA先捲在線軸上，再經過好幾層折疊，最終收進體積只有原長度幾十萬分之一的小球裡。
我們先重新正確計算「到底有多長」，接著再看「這麼長的東西究竟是怎麼收納進去的」。
理由1：該算的細胞數，比想像中少得多
人體細胞的數量，常見的估計是37兆個。2016年也有人重新細算，得出30兆個的估計值。無論哪個數字，都是天文數字。
但仔細看內容組成，會讓人驚訝。30兆個裡，大約25兆個是紅血球。紅血球為了專心扮演運送氧氣的「袋子」角色，在發育過程中會把細胞核排出體外。因此它沒有DNA。
負責止血的血小板也沒有細胞核。剩下擁有細胞核與DNA的細胞，大約只有3兆個。請看圖1上方的色帶：擁有DNA的細胞，只佔最右邊那一小段。
把這3兆個細胞，乘上每個細胞約2.2公尺的長度，得到約66億公里。地球到太陽的距離約為1.5億公里。換算成單程，相當於太陽距離的44倍。
太陽系邊緣的冥王星，平均距離約59億公里。全身DNA連起來的長度，比這個數字還要再長一點。即使不是「幾百個來回」，這數字依然驚人。
理由2：2公尺長的細絲，經過層層纏繞才收納起來
細胞核的直徑大約6微米（千分之6毫米）。裡面裝著約2.2公尺的DNA。長度比大約是37萬倍。
依照這個比例，把細胞核放大到網球大小（直徑6.5公分）。這時裡面的DNA會變成長約24公里、粗約0.02毫米的細絲。試著用圖2的滑桿改變放大的程度看看。
這麼細又長的細絲，能夠不打結地收納起來，是因為纏繞方式經過巧妙設計。DNA首先會纏繞在稱為組蛋白的小型蛋白質球上，繞上約兩圈，就像把縫衣線捲在線軸上一樣。
這些線軸般的結構像珠串一樣相連，再進一步捆束、形成環狀並折疊起來。細胞分裂時，會變成纏繞最緊密的「染色體」形態。
重要的是，這並不只是硬塞進去而已。目前正在使用的部分會鬆開，不使用的部分則緊密收攏。纏繞的方式本身，正是決定哪些基因會被啟動的機制之一。
每次細胞分裂時，2公尺長的DNA都會被完整複製一次。人體內據說每天有數千億個細胞新生。修正複製錯誤的機制，也在不間斷地同時運作。
總結
一個細胞的DNA約2.2公尺。但人體超過八成的細胞是紅血球，沒有DNA。以擁有DNA的約3兆個細胞計算，總長度約66億公里，是太陽距離的44倍，也差不多等同於到冥王星的距離。而每一條DNA，都經過層層纏繞，收納進體積只有其長度37萬分之一的細胞核裡。
「幾百個來回」是算過頭了。
但即使如此，人體裡依然收藏著足以抵達冥王星的細絲。
關於紅血球在血液中扮演的角色，可參考血液在體內循環不息，是怎麼發現的？；DNA因紫外線受損的話題，則介紹於為什麼陰天也會曬傷？。
- 把花椰菜的花蕾（或香蕉）搗碎，放入100毫升水中，混入1小匙食鹽與數滴廚房用洗碗精，仔細攪拌。洗碗精會破壞細胞膜。
- 用茶濾網過濾，把液體倒入杯中。再把冰在冷凍庫裡充分冷卻的消毒用酒精，從杯緣輕輕倒入等量的量。
- 等待幾分鐘，液體交界處會浮出白色、朦朦朧朧的細絲狀物質。這就是從數億個細胞中集結而成的DNA團塊。
酒精容易燃燒，請在沒有火源的地方，和大人一起進行。你看到的並不是單獨一條細絲，而是無數DNA纏繞在一起的束狀物。
想再深入了解的人 ― 術語、公式、與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個層級
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「生物基礎・生物」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄層級的內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目（分子生物學・細胞生物學）的內容
- 研究即使在大學也不是「定論」、研究人員目前仍在探究中的話題
國中術語：這個現象是有名字的
- DNA（去氧核糖核酸）：用4種零件（鹼基）的排列方式記錄遺傳訊息的長鏈雙螺旋分子。
- 鹼基對：連接雙螺旋兩條鏈的鹼基組合，也用作計算DNA長度的單位。
- 細胞核：細胞內收納DNA的房間。紅血球與血小板沒有細胞核。
- 染色體：細胞分裂時，DNA纏繞最緊密的形態。人類有46條。
國中高中用公式確認：全身DNA的總長度
我們要求的是，把全身DNA連起來的總長度 L。只要把細胞數量、每個細胞的鹼基對數、以及每一對鹼基的長度三者相乘，就能算出來。
| 用符號表示 | L ＝ N × b × a |
| 用文字表示 | 總長度 ＝ 擁有DNA的細胞數 × 每個細胞的鹼基對數 × 每一對鹼基的長度 |
| 公式的由來 | DNA是鹼基對以固定間距排列而成的「階梯」，長度與階梯數成正比，再把這個長度乘上細胞數量加總起來，就是這個計數公式 |
| L | 全身DNA的總長度（單位：公尺） |
| N | 擁有DNA的細胞數（個） |
| b | 一個細胞擁有的鹼基對數（個） |
| a | 相鄰鹼基對之間的間距（奈米） |
| 一個細胞的鹼基對數 b（父母各一組） | 約64億個（6.4 × 10⁹） |
| 鹼基對間距 a | 約0.34奈米（0.34 × 10⁻⁹ m） |
| 擁有DNA的細胞數 N | 約3兆個（從整體約30兆個中，扣除紅血球與血小板後的數字） |
| 地球到太陽的距離 | 約1.5億公里 |
| 太陽到冥王星的距離（平均） | 約59億公里 |
| 一個細胞的長度 b × a（10⁹ 與 10⁻⁹ 互相抵消） | 6.4 × 0.34 ≒ 2.2（公尺） |
| 總長度 L ＝ N × 2.2 m（單位：兆公尺） | 3 × 2.2 ＝ 6.6 |
| 6.6兆公尺即66億公里。相當於到太陽的幾倍 | 66 ÷ 1.5 ＝ 44 |
| 與到冥王星的距離相比 | 66 ÷ 59 ≒ 1.1 |
| 連紅血球也算進去的37兆個（兆公尺） | 37 × 2.2 ＝ 81.4 |
| 算過頭的倍率 | 81.4 ÷ 6.6 ≒ 12 |
有名的「可往返太陽好幾百次」，其實是把沒有DNA的細胞也算進去的數字，比正確數值高了約12倍。但即使正確計算，長度依然足以抵達冥王星。
| 細胞核直徑 | 約6微米（6 × 10⁻⁶ m） |
| 長度 ÷ 直徑（萬倍） | 220 ÷ 6 ≒ 37 |
| 放大到網球大小0.065公尺時的長度（萬公尺） | 0.065 × 37 ≒ 2.4 |
直徑6.5公分的球裡，裝著約24公里長的細絲。這與圖2的初始數值相同。
高中高中＋纏繞的層級結構，與細胞的計算方式
高中生物基礎課程會教到，DNA纏繞在組蛋白上形成核小體，再連成一串形成染色質。基因組約有30億個鹼基對，體細胞則因父母各帶一組，共擁有約64億個鹼基對。
高中＋一個核小體上大約纏繞著147個鹼基對、約1.7圈。光是這一步，長度就縮短到數分之一。細胞數量則是依各器官的體積與單個細胞大小估算後加總，37兆個（2013年）與30兆個（2016年）的差異，主要來自紅血球的計算方式，以及參考體型不同所致。
大學染色質的高階結構與環狀擠出
核小體相連形成的結構，教科書過去一直說會進一步纏繞成「30奈米纖維」。但愈來愈多研究指出，在活細胞內其實很難觀察到明確的纖維結構。目前主流解釋是，利用凝聚蛋白（cohesin）等蛋白質把DNA拉出環狀的「環狀擠出模型」，以及用Hi-C技術測量出的「拓撲關聯域」，來說明細胞核內的折疊方式。
📖 公式推導與更深入的內容：核小體（維基百科） ／ 染色質（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 在細胞核裡，DNA究竟如何排列。 已知每條染色體大致都有自己的「地盤」，但細部的折疊方式會因細胞而異、也會隨時間變化，整體樣貌至今仍未能完全描繪出來。
- 為何不會打結。 每次複製與分裂都會產生扭轉或纏繞，但負責解開這些糾結的酵素究竟以什麼順序運作，整個流程仍在研究當中。
- 人體細胞的確切數量。 如30兆與37兆這類估計值仍存在落差。數量也會因年齡、體型、性別而不同，目前還沒有人能直接數出每個人的確切細胞數。
換句話說，本文的內容也只是「目前已知範圍內」的說明。如果細胞數量的估計值改變，總長度也會隨之以相同比例變動。
與教科書的對應（依層級）
| 層級 | 科目・單元 | 本文對應之處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科二年「生物體的構造」・三年「遺傳的規律與基因」 | 細胞與細胞核、DNA與染色體 |
| 高中 | 生物基礎「基因及其作用」 | 鹼基對、基因組大小、組蛋白 |
| 高中＋ | 生物「遺傳資訊的表現與調控」 | 核小體、細胞數量的估計 |
| 大學 | 分子生物學・細胞生物學 | 染色質的高階結構、環狀擠出 |
| 研究 | 細胞核內的三維基因組結構 | 染色體的地盤、細胞數量的落差 |
| ― | 與日常生活的連結 | 從「算的是什麼」出發，確認科學數字的習慣 |
- Sender R., Fuchs S., Milo R. (2016) Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLOS Biology
- Bianconi E. et al. (2013) An estimation of the number of cells in the human body. Annals of Human Biology
- Alberts B. 等著『細胞的分子生物學』（細胞の分子生物学）ニュートンプレス
- Watson J. D., Crick F. H. C. (1953) Molecular structure of nucleic acids. Nature 171
※本文為大眾科學解說。文中數值僅為幫助理解機制所用的參考・概算值。細胞數量與鹼基對數皆為估計值，不同資料來源可能略有差異。