搜尋

關 於 本 書

‧內容簡介
‧作者簡介
‧譯者簡介
‧目 錄
‧得獎記錄
‧讀者書評

線 上 試 閱

推薦序
序文
前言
書摘 1
書摘 2
書摘 3
書摘 4
書摘 5
書摘 6

生物

【類別最新出版】
生物之書
山水相望:深圳自然生態圖解
與虎頭蜂共舞:安奎的虎頭蜂研究手札
透視‧魚
透視‧魚+限量透明書籤


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

庫存不足

 轉 寄 給 朋 友

 發 表 書 評 

 我 要 評 等 

特 惠 推 薦

演化 + 透視‧魚
 

Share/Bookmark

線 上 試 閱

 

推薦序序文前言 書摘 1書摘 2書摘 3書摘 4書摘 5書摘 6



  書摘 5

第 5 章 生命樹向下紮根
從生命之黎明到微生物時代

天擇並非千里達的孔雀魚或加拉巴哥群島的芬雀的專利,地球上一切物種皆受其影響,而且天擇從生命初始便開始運作。科學家已經追溯到至少38億5千萬年前的生命史,化石紀錄顯示,在其後悠久的歲月中,新生命型態如真核生物、動植物、魚類、爬蟲類及哺乳類等,一一出現。歷經數不清的世代之後,演化將這些最早期的生物轉變成新型態,繼往開來,變化萬千。

達爾文從來不想追究這類巨大轉化是如何發生的,在他那個時代發生的天擇,已經夠令他困惑了。這完全是因為他不懂遺傳作用。但今天我們已掌握足夠的證據,如基因序列、化石及古代地球化學作用的痕跡等,讓科學家開始替生命演化解碼。結果在解碼的過程中,演化生物學家把現代綜合論更推前一步,發現演化的統馭方法奇特古怪,遠遠超出前人的想像。

生命樹

生命史並非是一條直線式的發展。如達爾文所說,它的成長像一棵樹,新物種如枝椏般不斷從舊物種分支出來。大部分的分支後來都滅絕了,像樹枝遭到剪除;但是,在滅絕之前,它們已做出了貢獻:它們創造了後起的生命,形成現今地球上的生命型態。

過去數十年來,科學家不斷重畫生命樹(the tree of life)。剛開始,他們只能藉觀察身體結構(如頭蓋骨的接縫或子宮的形狀)來比較不同物種,可是當他們想退一步宏觀生命全幅時,這個方法卻不管用。你可以比較榆樹和楓樹或松樹的葉子,但人類卻沒有葉子可供比較。幸好榆樹和人類皆以DNA為構成基礎。科學家在過去25年以來,採集從青蛙到酵母菌到藍綠菌等千百個物種的基因,加以排序,繪出如下圖最新的生命樹。

這棵樹並不是一幅畫,而是科學假設,針對所有科學家研究過的基因序列,以及基因型態如何突變,做最淺顯的詮釋。隨著新物種的發現和新基因序列的確定,這棵樹上的一些枝椏可能必須重新排列。但即使資訊日新月異,這棵樹的基本結構卻始終未變,顯示這個詮釋基本上是正確的。

▲ 這棵演化樹涵括地球上所有現生物種,由同一共祖(樹基)分出三大支:細菌,一種名為「古細菌」的微生物,及真核生物(人類便屬於這一支)。分支長度代表每個譜系之DNA與共祖分歧的程度。這棵樹顯示微生物占了生命遺傳多樣性的大半,而整個動物界(右上方)只不過是樹梢上的幾根小細枝而已。(圖中生物中英名稱對照參見115頁附註)

這棵樹長得很怪異。19世紀末,演化生物學家把生命樹畫得像棵巨大的橡樹,有一根主幹,然後才有分枝。最簡單的生物如細菌等,從樹基附近冒出來,人類則高踞樹冠,代表演化的巔峰。如今科學家卻不再視演化為不斷上昇的單一主軸,而是一叢散亂的灌木。

這棵樹分為三大枝,屬於我們這一支的真核生物還包括植物、真菌、動物及單細胞的原生動物,如住在森林土壤及海洋中的阿米巴原蟲,及引起如瘧疾、痢疾和賈第蟲病(giardia)等的寄生生物。所有真核生物的細胞都具有相同的特性,即將大部分DNA包在細胞核內;細胞內再分成許多別的區,各別建造新蛋白質及產生能量。

以前生物學家以為所有非真核生物的物種,都可歸類成另一大類,即「原核動物」(prokaryotes),畢竟牠們看起來都很像。比方說,這些生物的DNA並非纏捲在細胞核內,而是鬆散地漂浮在細胞膜內。然而基因卻證明這個說法錯了。細菌自成一支,而生命樹上的第三支和我們的關係其實比細菌更近。這批生物在1970年代首度由伊利諾州立大學的生物學家武斯(Carl Woese)發現,雖然牠們長得像細菌,但細胞機制卻迥然不同。武斯將之定名為「古細菌」(archaea),代表牠們是生命樹上最早出現的一支。

生命樹的另一大驚奇是,我們這些多細胞真核生物在演化故事裡,原來只是個小角色。人類和榆樹之間幾乎沒有差別,但細菌、古細菌及單細胞真核生物的多樣性卻令人瞠目結舌。微生物學家不斷發現新種、新科、甚至新的微生物界,牠們安住在最深的地殼內、滾燙的溫泉裡,以及人類強酸性的溫熱肚腸中。絕大部分的生物多樣性,更別說生物量(生物群的總重量),全屬於微生物。

生命樹的基部代表地球上所有現生生物的共祖。所有現生物種都有一些共通之處,比方說,牠們全都把遺傳訊息記載在DNA中,並由RNA將這些訊息轉變成蛋白質。這些共同屬性最簡單的解釋,便是所有現生物種都源自同一個祖先。這個共祖的構造顯然已頗精密,因此在牠之前必然還有一長串祖先,所以生命樹下方一定還有眾多我們看不見的分支,可惜它們都已經滅絕了。在這些已滅絕的祖先底層,便藏著生命的起源。

追尋生命起源

即使前頁的生命樹並未直溯生命初始,但它仍能幫助科學家重組生物轉化的最大一步:即從無生命變成有生命。輔以地質紀錄,生命樹可以提供線索,同時也設下了限制:任何關於生命如何開始的解釋,都必須和留下來的證據相符。

要想確定生命最早的演化史,科學家仍有漫漫長路要走,但他們可以用研究生物後來的轉型同樣的方法來研究它。我們將在第6章看到,新的動物並非以演化大躍進的方式出現,而是逐步改變身體結構,最後變成現今的動物型態。科學家已經找到充分證據,證明生命也可以經由一連串步驟,演化成以DNA為基礎的微生物。

生命創始的第一步是蒐集原料。許多原料可能來自太空;天文學家已在隕石、彗星及星際微塵中找到不少生命的基本原料,這些物質掉落在正值嬰兒期的地球上,散播細胞的主要構成要素,如構成DNA主幹的磷酸鹽和攜帶訊息的鹽基,以及製造蛋白質的胺基酸等。

這些要素互起反應,可能形成許多類似生命的型態。當分子擠成一堆,彼此不斷碰撞,這時最易激發化學反應。早期的地球上,生物性物質的先驅可能全集中在雨滴或海浪掀起的水霧中。有些科學家懷疑生命發源地為中洋脊(海中山脈),即炙熱岩漿從地幔(地殼與地心之間的部分)內冒出來的所在。他們指出,最靠近生命樹基的分支為細菌及古細菌,它們都住在如滾水或強酸等極端環境中,因此它們很可能是地球最早的生態系之孑遺。

科學家懷疑生物分子的先驅可能自行組織起來,形成獨立的化學反應循環,一群分子藉著抓取周遭其他分子進行複製。早期的地球上可能有許多化學循環各自在進行,如果完成循環所需的要件相同,便必須互相競爭,效率最高的循環將淘汰效率低的。換言之,化學演化先進行,然後才是生物演化。

▲ 美國黃石公園的熱泉內棲息著地球上最原始的微生物。研究人員揣測40億年前,生命可能便是在接近沸點的滾水中發韌。

這些分子最後終於產生DNA、RNA及蛋白質。到底三者中哪一個先出現,過去幾十年來,科學家眾說紛紜。DNA可以攜帶建造身體的資訊,代代相傳,但若沒有RNA或蛋白質的協助,便毫無作用。例如,DNA無法像+那樣,執行連接或切開分子的任務。蛋白質的缺點則正好相反,它可以維持細胞生命,卻很難把資訊傳給下一代。只有RNA兼具兩種能力,能攜帶遺傳密碼,也能執行生化任務。RNA因具備雙重能力,遂成為第一個生命分子的頭號候選者。

科學家在1960年代首度揭露RNA在細胞中的地位,當時很少人認為它會是生命最原始的原料,因為它負責把基因內的訊息傳送到細胞製造蛋白質的工廠裡,彷彿只是個身分卑微的信差。可是到了1982年,當時在科羅拉多大學任職的柴克(Thomas Cech)卻發現RNA其實是一種混種分子。它一方面可以攜帶資訊密碼,一方面也具備+的功能,能夠改變別的分子。比方說,+的任務之一,是在DNA把資訊複製進RNA後,刪掉無用的序列。柴克發現有些RNA版本甚至可以不靠+的協助,往內捲,開始編輯自己的密碼。

到了1980年代末期,科學家意識到由於RNA具有雙重特性,可以在實驗室內進行演化。最成功的研究小組之一,是加州拉候拉鎮斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)喬艾斯(Gerald Joyce)所領導的團隊。喬艾斯先從柴克的原始RNA分子開始,加以複製,形成十兆種結構略為不同的變異體,再把DNA倒進裝這些變異體的試管內,看看後者是否能切掉它的一小段。柴克的RNA只會切分RNA,不會切分DNA,所以不出所料,沒有一個RNA變異體能做好這份工作。結果每一百萬個裡面只有一個能夠攫住DNA,進行切分,但效率奇差,得花一個鐘頭才能完工。

喬艾斯把這批笨拙的RNA分子留下來,再把每個都複製一百萬份。新一代同樣充斥突變,有些切分DNA的速度已經比上一代快了。喬艾斯繼續保留這批略為優秀的RNA分子,加以複製。等他做到第27代的時候(這個過程需要兩年時間),經過演化的RNA只需5分鐘便可切分DNA,一如它們切分RNA的天生能力。

喬艾斯及同僚此時已研究出讓RNA迅速演化的方法,產生27代的RNA不再需時兩年,只要三小時。生物學家發現只要有適合的環境,演化可以讓RNA學會做它在自然情況下從來不會做的事。經過演化的RNA不僅能切分DNA,還能切分別的分子;它可以連接到原子或整個細胞上;也能把兩個分子連在一起,創造出一個新分子。若經過足夠的演化,它甚至可以結合胺基酸──這正是製造蛋白質的關鍵步驟。它也可以把一個鹽基加到自己的磷酸鹽骨幹上;換言之,即使細胞內沒有DNA或蛋白質,RNA也可以演化出執行大部分工作的能力。

RNA的演化能力如此驚人,生物科技公司現在正企圖將它轉化成抗凝血劑等藥物。喬艾斯等人的研究結果顯示,RNA可以在早期的地球上同時扮演DNA及蛋白質的角色。許多生物學家現在便把生命發韌期稱為「RNA的世界」。

RNA演化之後,接下來出現的可能是蛋白質。RNA世界發展到某個階段,新型態的RNA可能演化出連接胺基酸的能力,有了蛋白質,RNA複製的速度可能比孤軍奮鬥時更快。稍後,單股的RNA可能建造出雙螺旋股的好夥伴:DNA。後者不像前者這麼容易突變,因此較利於儲存遺傳訊息。一旦DNA及蛋白質出現,便可分攤許多RNA的工作。今天RNA仍具關鍵性,但昔日的威風只留下幾許痕跡,自行編輯的能力便是其中之一。

這時,我們熟悉的生命正式開始,然而對RNA而言,生命卻從此改觀,因為RNA的世界已走到盡頭。