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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。
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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。
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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。
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