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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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演化 + 透視‧魚
 

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  書摘 4

▲ 東非大湖區的慈鯛魚種類繁多,令其他生物瞠乎其後。僅在維多利亞湖內,牠們就由同一共祖,在不到14,000年的時間裡,演化出500多個不同的種。

加拉巴哥芬雀分支的速度雖快,但是世界上最驚人的「種形成」(speciation)大爆炸卻發生在東非的維多利亞湖(Lake Victoria)及北美大湖區(Great Lakes)各湖內。維多利亞湖迤邐27,000平方哩,湖床平坦,好似一張撞球檯。這個湖是慈鯛(cichlid)的家。慈鯛魚體型小,顏色鮮麗,僅在維多利亞湖內便有500種,而且沒有別的棲地。每一種慈鯛都有與眾不同的特徵:有些用牙齒刮石頭上的藻類;有些搗碎甲殼類;有些啄食別種慈鯛的眼珠;有些種類的雄性在求偶時會建造水底砂堡,請雌性來檢閱;有些把仔魚含在嘴裡。

1995年,一群地質學家來到維多利亞湖,希望追溯湖內泥沙過去幾萬年的歷史。注入該湖的幾條河流各自攜帶花粉及塵土,年復一年,埋在湖底。地質學家計劃往湖底鑽,抽出記錄數萬年來河流流動歷史的淤泥樣本,重述周遭林地與草原在那段時期內的演變故事。結果他們只鑽了9公尺左右,湖的痕跡便消失了;換句話說,湖底沉積只有14,500年歷史。

鑽探結果顯示,在14,500年前,維多利亞湖的最深層地方覆蓋著一大片草。可能在冰河期的時候,涼爽乾燥的氣候令所有供應湖水的河流乾涸,大片湖水隨之蒸發。就這樣,過去幾百萬年來,冰河期來來去去,維多利亞湖乾了又滿、滿了又乾。最後一次冰河融化後,維多利亞湖便在幾個世紀之內擴張成目前的大小。

魚不可能住在乾湖裡。維多利亞湖內慈鯛魚的祖先必定藏身附近溪流,待湖水再現,跟著溜進湖裡。今日所有棲息在維多利亞湖內的慈鯛全是近親,和其他河流及湖泊內的慈鯛血緣卻很遠。這批慈鯛擁有類似的基因,就像兄弟姊妹一樣。牠們的基因顯示,當最近一次湖水再現時,一種在口內孵卵的慈鯛譜系移居湖內,然後在人類建造文明的同時,分支成500個種。若以演化的角度來看維多利亞湖,不啻目睹一次生物大爆炸。

這次演化的「長紅」,似乎是天時地利「物」和的結果。慈鯛極適合迅速特化,首先,牠們在嘴的後方還有另一副上下顎,可以用來弄碎食物,前面的那副上下顎因此得以自由演化成不同的抓取工具;而且牠們牙齒的演化彈性也出奇大,分別變成樁釘、長釘、平匙等形狀。結果是:演化將慈鯛的身體塑造得千奇百怪,令人眼花撩亂。

另一個造成慈鯛演化大爆炸的原因,可能是牠們精采的性生活。雄慈鯛為了吸引雌性,費盡心思,或跳特別複雜的求偶舞,或用砂石建造各式閨房。雌性賞心悅目之後,便會排卵,讓雄性授精。雌魚擇偶由基因決定,有些雌魚可能喜歡某種特別的紅色調,有些偏好閨房牆垣特別陡直,或某種特別的求偶舞步。這類偏好可能在雌魚群中蔓延開來,讓牠們對其他雄魚不再感興趣。假以時日,這種特殊喜好便會將一群魚與其他魚隔絕開來,把牠們變成一個新種。

慈鯛魚在14,000年前進入維多利亞湖內,等於從祖先在河流內的演化籠牢中釋放出來。河流是驟變之地,常受突來的水災、旱災及河道改變影響。在這種情況下,太適合在河流某個特定部分生存的魚將無法占優勢,因演化偏向於能夠適應各種突發狀況的魚。移居維多利亞湖後,環境穩定許多,慈鯛可以開始適應特殊棲地,如卵石淺灘或有沙床的深水域。牠們可以迅速演化出特殊的生活方式,不必因改變而受到懲罰。

生物學家現在正在研究慈鯛的基因差異,希望藉此揭開維多利亞湖內不同魚種形成的謎底,可惜他們的時間有限。在1950及60年代,有人將一種新的魚引進維多利亞湖:尼羅鱸(Nile perch)。這種魚來自東非別的湖內,可以長到2公尺,慈鯛便是其食物之一。引進尼羅鱸的原因是替維多利亞湖周圍的居民開發新的食物來源。尼羅鱸果然迅速繁衍,漁夫們魚獲量暴增10倍,但慈鯛卻成了犧牲品。

同時,由於農業及伐木業大興,造成土壤大量流失,表土沖入維多利亞湖內,原本清澈的湖水變濁。對配偶外貌特別挑剔的慈鯛,再也看不清楚對方的特徵,便開始和近親種交配。本來迫使這些魚多樣化的繁殖區隔,正在瓦解中。

在充滿淤沙的混濁湖水與尼羅鱸的夾攻之下,維多利亞湖內的慈鯛魚種,僅在過去30年內便消失了一半。正當人類開始熟悉這個物種的爆炸現象,同時很可能將終結它。

利用天擇抵抗感冒

天擇這個觀念在20世紀變得威力十足。1900年時,尚有許多科學家懷疑天擇是否重要,或真有其事;到了2000年,我們已經可以目擊天擇重塑生命及創造新物種。天擇觀念在本世紀的復興,甚至引導科學家在始料未及處發現天擇的作用。任何研究範疇,只要符合達爾文的三項基本條件─複製、變異,及競爭後的獎賞─便能展露天擇的力量。

以人體為例,我們的身體也以某種形式的天擇來抵抗疾病─也就是我們的免疫系統。當病毒或其他寄生蟲入侵時,免疫系統企圖發動攻擊,但它首先必須能夠識別敵手,才能驅逐入侵者,否則攻擊對象將不分敵友,包括人體本身。於是,免疫系統利用演化的力量來調控攻擊行動。

當外來物質進入人體時,會遭遇一組名叫「B細胞」的免疫細胞。B細胞具有受體(receptor),可以伏擊外來物質,例如細菌產生的毒素,或病毒蛋白質外鞘的片段等。當B細胞伏擊外來物質(稱為抗原〔antigen〕)時,會有信號傳入其內部,命令它複製出千萬個新的細胞。

新的細胞開始釋放抗體(antibody);抗體和首先伏擊抗原的那種受體一樣,但它可以自由流動。抗體在全身遊走,一碰到抗原便緊咬不放。抗體用一端攫住一個抗原,再用另一端消滅它,或中和毒素,或在細菌細胞壁上鑽孔,或傳呼免疫系統的殺手細胞,讓後者來吞噬寄生物。

寄生生物從病毒、黴菌到蟲,產生的抗原以億萬計,B細胞卻都能製造出完全相符的抗體。因為這種精確度,免疫系統才能辨識及摧毀入侵者,卻避開自體細胞,不會誤殺。B細胞可能遭遇的抗原如此之多,我們的DNA不可能攜帶建造每一種抗體的指令;抗原有億萬種,人的基因卻只有三萬多個。我們免疫系統必須運用更有效率的方式來製造抗體─演化!

B細胞的演化從它在骨髓中成形時便已開始。當B細胞開始分裂時,建造其抗原受體的基因便開始迅速突變,不規律地形成億萬種不同形狀的受體,踏出演化過程的第一步:產生變異。

新生的B細胞悄悄從骨髓移往抗原來往最頻繁的淋巴結,大部分的B細胞無法鎖定任何抗原,但偶爾某個B細胞的受體湊巧對了,可以攫住一個抗原;兩方的形狀不必完全相符,只要B細胞能攫住任何東西,便會受到刺激,開始瘋狂複製。B細胞中彩時,你可以感覺得到,因為隨著它數目激增,淋巴結會變得腫大。

有些成功的B細胞複製出的後代會立刻釋出抗體,其結構與攫住抗原的受體相同。還有一些卻繼續分裂,並不製造抗體。這類B細胞開始複製,其突變率比人體正常細胞快上百萬倍。突變只會改變它們用來建造抗原受體及抗體的基因。為求生存,這些超速突變的B細胞必須攫住抗原,否則就會死亡。經過一連串的突變及競爭,演化所製造出來的B細胞鎖定抗原的動作愈變愈精準,適應力不夠強的細胞抓不住抗原,即遭淘汰死亡。不出幾天,這個演化過程便能將B細胞伏擊抗原的能力提昇10到50倍。

如果裴利知道抗體這種專門抵抗特殊疾病的東西,一定會說抗體是造物者的傑作;因為它的設計如此精良,與抗原的「搭配」如此周延,絕對不可能自動形成。然而每次我們生病,都證明裴利又錯了。

電腦內的演化

天擇的威力不僅展現在人體內,也展現在電腦內。一般所知的生命只有一種語言,即DNA和RNA鹽基。但有些科學家卻宣稱他們已在電腦中創造出不需生化反應的人工生命,而且它們和以DNA鹽基為基礎的生命一樣,也會演化。批評者或許會質疑這些人工生命究竟是不是「活生生」的生命,但它們的確證實了無秩序狀態可以透過突變與天擇變得複雜化,甚至展示了天擇創造新科技的方式。

現今最複雜的人工生命,居住在加州理工學院的電腦裡。以阿達米(Christoph Adami)及奧非亞(Charles Ofria)為首的一群科學家,創造了一個「野生庇護區」,將它命名為「艾維達」(Avida, A代表「人工」〔artificial〕,vida一字為西班牙語的「生命」)。每個住在艾維達內的生命都是由一個程式構成,程式內容則為一連串指令。這些生命活著的時候,其程式內會有一個「指令指標」逐行移動,逐一執行它所讀到的每一個指令,一直讀到程式結束,再自動返回起點,重新來過。

數位化生命的程式可自行複製,再創造出自給自足的生命體,就這樣不斷繁殖,直到占據艾維達所有的電腦空間為止。阿達米允許這些數位化生命在複製時突變,促使它們演化。偶爾,某個數位化生命程式中某一行指令會自動轉換成另一個指令;有時生命體在自我複製時,可能不小心讀錯指令,也可能隨便多插進或刪除一個指令。通常突變都對生物有害;同樣的,對存在艾維達內的程式來說,大部分改變只是有害的病毒,會使數位化生命繁殖速度變慢或死亡。但有的時候,突變卻可以讓它們的複製加快。

阿達米利用艾維達設計出各項模倣生命演化的實驗。在一項早期實驗中,阿達米創造了一個能夠複製、同時攜帶好幾個無用(卻也無害)指令的數位化生命。這個始祖製造出數百萬個後代,又分支成許多突變的族群。經過幾千代後,某些族群變得「人多勢眾」。成功的數位化生命都有一個共同點:程式簡短。每一種成功的突變都將程式濃縮成最簡單、但仍能複製的型態─只剩下約11個步驟。

在這個實驗中,演化驅使數位化生命的基因組愈變愈簡單,因為它們所生存的環境非常簡單。但在最近的實驗中,阿達米把艾維達變得近似真實世界,並要求他的數位化生命吃東西。艾維達裡的食物即數字:一連串永無止境的1和0,數位化生命可以消化它們,變成新型態。如同細菌可以吃糖,再把糖轉化成它們賴以生存的蛋白質;攜帶適當指令的數位化生命可以讀取阿達米提供的數字,再把數字轉化成各種型態。

在自然界中,演化會選擇可以將食物轉變成蛋白質、協助牠們繁殖得更成功的生物。阿達米也在艾維達內創造一個類似的獎勵系統;他設計出許多任務,讓數位化生命去執行,如讀取數字,然後把數字反過來,例如把10101變成01010。如果數位化生命演化出這種能力,他便獎勵它,加快它程式的速度。程式速度加快之後,複製速度也快了。而且執行較複雜任務的獎勵,又比執行較簡易任務的獎勵大。結果這個獎勵系統徹底改變了艾維達內生命演化的方向,不再變得像最原始、類似病毒的生物,而演變成複雜的數據處理機。

基本上艾維達是在演化新軟體,但和人寫出來的程式完全不同。艾維達的奇異結構引起微軟公司的注意,出資贊助阿達米做的某些研究。微軟意識到DNA其實就像一個超級電腦程式,可以讓數兆個人體細胞跑個70年都不當機。不知為什麼,演化所創造出來的資訊處理,就是比人類所創造的強。微軟希望未來能讓軟體自行演化,不必再仰賴人來寫軟體。今天在艾維達中演化的簡單程式和電腦試算表(spreadsheet)比起來,彷彿細菌之於藍鯨。然而演化既然創造出了藍鯨,因此,像艾維達這樣的人造世界終有一天演化出試算表,也是可以想像的。而我們面對的挑戰,應是在人造世界中造出正確的演化山峰和山谷,讓試算表設計變成適應力的峰頂。

艾維達屬於所謂「演化計算」(evolutionary computing)的新興科學領域。這個行業中的專家發現,天擇不僅可以塑造軟體,也能塑造硬體。你可以給電腦出個題目,叫它針對某種裝置,想出上千種不同的設計,然後在模擬器中進行測試,把運作最佳的留下來,隨意做些小改變,再創造出新一代的設計。電腦只需要這麼一點點人類指引,便能演化出一些了不起的新發明。

舉個例子:1995年,工程師柯薩(John Koza)運用演化計算,設計出一組濾音器,可將超過某頻率的聲音濾掉。柯薩選擇以每秒2,000轉為上限,結果他的電腦在經過10代之後,製造出一組電路,可以壓低頻率超過500轉的聲音,但只能完全消除頻率超過10,000轉的聲音。經過49代之後,電腦大幅改進,將上限成功降至2,000轉。天擇創造出一套由感應器及容電器形成的7階式設計;而AT&T電話公司的坎貝爾(George Campbell)也曾經在1917年發明了同一套設計。換句話說,電腦不需要柯薩指示便做出同樣的發明,不讓他的專利擅美於前。

從那個時候開始,柯薩與其他人相繼演化出溫度計、同時適用高音及低音的擴音器、控制機器人的電路,和其他數十種裝置,許多都模擬偉大發明家的發明物。他們預言,演化計算很快就能創造出可以自己申請專利的設計了。

儘管目前這類演化仍局限在電腦內,而且必須仰賴人類程式設計師及工程師才能生存。但在未來幾十年內,很可能機器人就可以開始獨立演化,自我轉化,變出人類無法想像的新型態。麻薩諸塞州布蘭代斯大學(Brandeis University)的兩位工程師利普森(Hod Lipson)及波拉克(Jordan Pollack)便彷彿預告未來似的,在2000年8月宣布,他們所設計的一部電腦已經成功地運用演化,設計出一個會走路的機器人。

利普森與波拉克的電腦總共演化出200種機器人設計,每種都從零開始。兩位工程師運用一套模擬程式,根據機器人在地板上移動的速度,替它們打分數,然後用高適應力的設計淘汰低適應力的設計,再讓所有經過篩選後的機器人全部突變一次。經過幾百代之後,電腦再用塑模塑膠建造出最成功的幾個機器人。它們移動起來有的像尺蠖、有的像螃蟹、有的像別的動物,可是看起來卻都不像真正的動物(至少不像人所製造出來、模倣真實動物的機器動物)。

人工演化的誕生,是達爾文絕對無法想像的一大勝利。40億年前,一種全新的物質型態在地球上出現:它可以儲存資訊、自我複製,而且隨著儲存的資訊逐漸改變,仍能繼續生存下去。我們人類便是由那種會突變的物質組成的;如今我們又將這個律法輸入新的型態、輸入矽及塑膠、輸入二進位的能量流之中。