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演化(KS0009)──一個觀念的勝利

類別: 自然‧科普‧數理>生物
叢書系列:科學叢書
作者:Carl Zimmer
譯者:唐嘉慧
出版社:時報文化
出版日期:2005年06月20日
定價:790 元
售價:624 元(約79折)
開本:16開/平裝/384頁
ISBN:9571342416

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  書摘 1

第 4 章 目擊改變
基因,天擇,與演化行動

遺傳之謎─兩個人如何創造出一個兼具父母雙方特質的小孩─在19世紀曾令許多人突發奇想。從今天的觀點來看,其中最怪異的,當屬所謂「泛生論」(pangenesis):遺傳藏在微粒中,發芽似的從人體每個細胞長出來,然後這些名為「微芽」(gemmules)的微粒彷彿幾億幾兆隻鮭魚,游向性器官,在精子或卵中集合。當精子與卵結合後,父母雙方的微芽融合在一起,由於每粒微芽皆來自不同的身體部分,結合後便同時展現父母雙方的特質。

泛生論後來證明是錯的,但提出它的科學家並未因此聲名大壞,被歸類為歷史上另一位瘋子科學家,因為幸好他還提出別的經得起時間考驗的想法。提出泛生論的人便是達爾文。

除了地球的年代,最令達爾文束手無策的,便是遺傳。到了19世紀末,《物種原始》已說服大部分科學家承認演化,但仍有許多人質疑達爾文所提出的改變機制,即天擇。許多人轉而支持拉馬克的老朽觀念,他們認為,或許演化真有一個注定的方向,不然呢,或許成年的個體可以在活著的時候獲得新特徵,然後傳給子代。如果達爾文可以證明遺傳不允許上述情況發生,卻允許天擇發生,便可反駁批評他的人。可惜無論達爾文,或當代任何一位科學家,都無從證明這一點。

達爾文去世許多年後,生物學家終於開始了解遺傳作用,因而明白新拉馬克學派是錯的,遺傳不僅讓天擇變得可能,而且是必然的,也開始明白遺傳作用如何創造新物種。這個大發現是一項眾志成城的工作,參與的不只遺傳學家,還包括動物學家及古生物學家。到了20世紀中葉,這批人結合各家對演化的了解,形成所謂「現代綜合論」(modern synthesis),年輕一代的科學家便以現代綜合論作為研究基礎,開始探究分子層次的演化過程,天擇不再是達爾文所想像的那股不可捉摸的神祕力量。今天科學家可以在野地目擊天擇作用,以及舊有物種如何發展成新物種。他們甚至不必去觀察動植物或微生物,只要觀察自己的身體,甚或電腦中的人工生命,便可觀看天擇的演出。

研究遺傳的修道士

倘若歷史重寫,科學家大有可能在達爾文在世時解開遺傳之謎,因為就在他撰寫《物種原始》期間,一位修道士已經在自家花園內發現了遺傳作用最基本的原則。

1822年,孟德爾(Gregor Mendel)出生在摩拉維亞(Moravia, 現今捷克共和國東部地區)一個貧苦農家,從小就在這個只有兩個房間的小屋成長,後來老師發現他聰明過人,便安排他到布爾諾城(Brno)修道院當見習僧。修院內充滿了潛心祈禱也獻身科學的修道士,他們深入研習地質、氣象及物理學。孟德爾向修士們學習最先進的植物學,像是藉著替植物人工授精,不斷改良植物品種。後來院方送孟德爾到維也納大學進修,讓他繼續攻讀生物學。不過打下他從事科學研究基礎的,卻是他在大學裡學的物理及數學。維也納的物理學者教導孟德爾如何以實驗測試假說─當時做到這一步的生物學者屈指可數;數學家則教他如何利用統計去發現混亂數據中的秩序。

1853年,孟德爾返回布爾諾,年過三十的他寬肩、微胖、天庭飽滿,金邊眼鏡後的藍眼閃爍光芒。他擔任老師,教二、三年級學生自然及物理。儘管他有一百位學生,每週得上六天課,卻仍過著科學家的生活:固定記錄天氣變化,閱讀最新科學期刊,同時還決心展開實驗計劃,研究植物的遺傳作用。

在維也納,幾位孟德爾的教授力圖了解是什麼區分出不同的物種,親代又是如何製造出相似的子代。這類問題碰到雜交時完全浮現出來。育種者知道如何培育特殊的花果及其他植物品種,也懂得如何培育出雜種,可是許多雜種都不會結果實,會結果的通常下一代又會變回原始品種。倘若植物可以形成穩定的雜種,便可證實物種並非永恆不變。18世紀的瑞士生物學家林奈(Carl Linnaeus)便推斷同一屬的植物是共祖經過雜交後分支的結果。

直到19世紀末,一般科學家都認為遺傳作用會混合親代特質,傳給子代。可是孟德爾卻有一個革命性的想法。他認為親代各自的特徵確實會傳給子代,卻不會混合。為了測試這個想法,孟德爾設計一套將植物品種雜交的實驗,記錄混種子代的顏色、體積及形狀。他以豌豆為對象,花兩年時間蒐集不同品種,測試其遺傳穩定性,最後挑出22種,再鎖定7個特徵加以追蹤。他選的豌豆或圓或皺,或黃或綠;豆莢也是或黃或綠,表面或平滑或有縐褶。植株本身或高或矮;花有些開在頂端,有些沿莖開。孟德爾決定記錄每一代的特徵。

孟德爾小心翼翼親自替植株授粉,培養出上千株圓豆與皺豆的混種後代,等待它們在修道院花園內開花。幾個月之後,他剝開豆莢,看見所有混種豆都是圓的,皺皮特徵完全消失了。孟德爾接著讓這批混種圓豆交配,培養出第二代,結果有些是皺的,就和它們皺皮的祖父母一樣皺。原來第一代圓豆的皺皮特徵並未被摧毀,只不過隱藏起來,日後又再出現。

每棵植株結的皺皮豆數目不同,孟德爾一一計算,得出的比例為一顆皺皮豆比三顆圓豆。他繼續實驗不同的混種法,追蹤別項特徵,結果同樣的模式不斷浮現:一株綠色的比三株黃色的;一粒白種子比三粒灰種子;一朵白花比三朵紫花……

孟德爾知道自己解開了遺傳的亂麻,找出隱藏的規律性,可是他的研究結果卻遭到同時代植物學家忽略。1884年他在修道院內去世,世人只記得他是個蒔花弄草的風雅之士。其實他是遺傳學的先驅,這門科學直到他死後16年才出現,再經過一百年的研究,到今天我們才明白孟德爾的豌豆之謎。

豌豆和地球上所有的生物一樣,它們每個細胞裡都攜帶著一本創造其形體的分子食譜。這種攜帶資訊的分子叫作「去氧核糖核酸」(deoxyribonucleic acid),一般稱為DNA。它的形狀像扭曲的梯子,資訊便銘刻在一道道橫木上,橫木由一對化合物形成,稱為「鹽基」(base, 又稱鹼基)。鹽基便是撰寫生命食譜的字母,只不過DNA沒有26個字母,只有4個:腺嘌呤(adenine)、胞嘧啶(cysteine)、鳥糞嘌呤(guanine),及胸腺嘧啶(thymine)。

每個基因─即包含數千個鹽基對的一段DNA─都是一份食譜,用來製造一種蛋白質。細胞在製造蛋白質時,會先製造一段單股基因(稱作RNA,即核糖核酸),把它送去製造蛋白質的工廠「核糖體」(ribosome)。蛋白質和DNA及RNA一樣,也是一長串分子鏈,但組成單位卻不是鹽基,而是另一群名叫胺基酸(amino acid)的化合物。細胞運用銘刻在RNA鹽基上的資訊,攫取適當的胺基酸,形成鏈;等一段RNA被「讀」完之後,新的蛋白質也製造好了。新成形的蛋白質內的原子互相吸引,靠在一起,使蛋白質自動「折疊」起來。由於蛋白質結構有幾千種,所以它也可以扮演幾千種不同的角色,如細胞膜上的氣孔、讓指甲變硬,或是把氧從肺帶到血液內。

親代將DNA食譜傳給下一代的方式,便導致孟德爾所發現的3:1比例。動植物體內的基因食譜都編列成冊,名為染色體(chromosome)。以人類為例,我們有3萬個基因,編成23對染色體。一對染色體可能攜帶一對相同或不同的基因。正常細胞一分為二時,兩個新細胞各獲得一套完整的基因,但在形成精子或卵子時,每個性細胞卻只得到一對染色體中的一個。至於得到哪一個,純屬運氣。當精子與卵結合時,兩套染色體結為一對,為新生命創造出全新的遺傳密碼。

孟德爾的豌豆植株的顏色、紋理及其他特徵,皆由豌豆內不同的基因控制。子代遺傳到的每個基因都來自兩個不同的版本,一種會使豆皮圓滑,一種使豆皮發皺。純種圓豆攜帶兩個圓滑基因;純種皺皮豆則攜帶兩個皺皮基因。孟德爾讓它們雜交之後,產生攜帶一個圓滑基因及一個皺皮基因的雜種,但豆皮仍是圓滑的。遺傳學者至今仍然不完全了解為什麼某些基因,像是使豆皮圓滑的基因,可以壓倒它的另一半。

在雜交種中,皺皮基因雖然隱而不宣,卻並未消失。因為雜交種的卵及花粉粒(精核)各自都只獲得一種基因,其子代遺傳父或母之特殊基因的機率便為50-50,結果新一代的豌豆會有1/4獲得兩個皺皮基因,1/4獲得兩個圓滑基因,1/2獲得皺、圓基因各一。由於兩種基因各占一半的新一代雜種豆仍是圓滑的,所以它和皺皮豌豆的比例就變成 3:1。

大部分的特徵遺傳方式其實比孟德爾記錄下來的豌豆複雜得多。多數物種都攜帶超過兩個版本的基因,而且特徵很少由單一基因決定;通常任一特徵都由許多不同的基因共同參與控制。像是人種不能分為「高基因」及「矮基因」來決定某些人長到180公分,某些人只長到150。決定一個人身高的基因有很多個,所以只改變其中一個,並不能造成太大影響。如果說DNA是一本食譜,那麼人體就像歐式自助餐。做麵包的時候用鹽取代發粉,結果會大不相同;但一道酸辣湯裡若混了胡椒粉和辣椒粉,卻可能不會引起任何人注意。