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「不科學」的自然發生說,與它其實蠻科學的起源——自然發生說簡史(一)

活躍星系核_96
・2017/12/21 ・5468字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 544 ・八年級
  • 作者/何邊書,自然史與科學史的研究者與科普作者。

關於生命如何起源的問題,本質上有兩類不同的意見。第一類意見認為,生命由一個或者幾個超自然的力量所創造。另一類意見是生命起源於非生命的物質,這種起源是可以用自然的定律解釋。 如果要仔細考量,那麼除此之外還有第三類意見, 就是生命古以有之,根本不存在起源的問題。

第一類意見我們姑且稱之為創世說,它屬於非科學的範疇。所謂非科學,就是不能用科學的方法和手段去驗證其是非真偽,也不可以用科學的理論去分析。有鑒於此,筆者基本上不會對這種意見加以詳細分析和評價。第二類意見屬於科學領域,這是我們要重點探討的。

第三類意見叫做生命連續說,在 19 世紀後期到 20 世紀初期曾經興盛一時。簡單說來,它認為生命與非生命有明確的界限, 生命只能來源於生命,因此不存在生物起源的問題。 一個顯而易見的問題是,當時科學界已經意識到地球有著一個起始點 ,那麼在地球起始之前,生命從何而來? 這一派學者的提出一個解決方案,即生命從宇宙中來。

生命起源的問題,至今仍無解,圖/by WuZheng926@pixabay。

這種信念在 20 世紀早期引發了對外星生命探索的熱潮。當時科學界相信宇宙的無邊無際,無始無終。即便偉大如愛因斯坦,也要給自己的廣義相對論加上一個宇宙常數項,以維持宇宙的穩定。因此, 生命在宇宙範圍內無始無終確實也是一個可能的選項。可是在 1927 年哈伯發現宇宙在擴張之後,科學界越來越認識到原來宇宙也有自己的起點。那麼即便地球上的生命來源於宇宙,宇宙中的生命也必然有一個起點。生命的起源終究還是一個繞不過去的坎。所以第三種意見已經基本上被科學界否定了。

生命起源的科學理論

生命起源的科學理論,認為生命起源於非生命的物質,而這種起源可以用自然的定律解釋。

這類理論又可以分為兩類。第一類理論認為生命的出現是一件容易而普遍的事,流行於 20 世紀前的自然發生說( Spontaneous Generation),認為生命在現今的自然條件下可以經常性地出現;其後的一些理論認為生命並不能在現今的自然條件下出現, 但是在其他一些條件下可以出現,而那些條件,在宇宙中是廣泛存在的,所以生命在宇宙中是一個普遍的現象。第二類理論認為生命能在地球上出現是中了頭彩。生命的出現即便在宇宙的大尺度範圍內也是很難發生的,而地球上能夠出現生命是因為各種機緣巧合,各種必要的要素恰好同一時間能相聚於地球。生命現像在宇宙中極其罕見,地球即便不是宇宙內唯一的擁有生命的星球,也必定是屈指可數。

當時科學界相信宇宙的無邊無際,無始無終,圖/by hyperkkf@flickr。

我們所要探討的第一種理論就是自然發生說這是流行於西方 20 世紀之前的一種學說,其主要觀點就是生命可以在自然條件下經常性地從無生命的物質中產生。如果再詳細分類,可以把自然發生說分為兩種意見,第一種意見認為生命可以從有機物中產生,所謂有機物就是指在生物體,生物殘骸或者生物代謝產物中存在的物質。這種理論又稱為異質發生論( heterogenesis)。第二種意見認為生命可以從無機物中產生,這種理論又叫無機發生論(abiogenesis)。

如果用現代的標準來看,或許自然發生說可謂一無是處。但是筆者倒認為自然發生說在科學歷史上的地位值得大書特書,因為它的興衰見證了 20 世紀前人類認識生命現象的種種進步以及科學實驗方法應用於生物學領域的從無到有的過程。

自然發生說是歷史上第一個提出生命起源於自然的理論,它的歷史之長幾乎可以和創世神話相提並論。在中國,戰國時代的《禮記· 月令》篇中就有「腐草為熒」的記載。在希臘,亞里斯多德就對自然發生說做了系統的描述。可以想像,人們對自然發生說的模糊認識遠在這些記載與論述之前。

自然發生說的興衰印記了 20 世紀前人類認識生命現像的種種進步以及科學實驗方法應用於生物學領域的從無到有的過程,圖/by Own work, Till Niermann, 6 June 2008@wikipedia commons。

與創世神話不同,自然發生說的來源並不是空想,而是來源於觀測 。它的出現並不難理解,因為在自然界中,生物「自然而然」出現的例子實在太多了。泥土裡會突然出現蟲子,水塘裡會突然出現小魚,身體上會突然出現跳蚤,草堆裡會突然出現老鼠。這些現象都讓人感覺到這些動物是自然而然地從沒有生命的物質中產生出來。

亞里斯多德與自然發生說的系統性發展

在群星璀璨的古希臘,哲學家們早就注意到這個現象,自然發生說被他們作為創世神話之外對生命起源的另一種解釋。公元前 7 世紀,一 群已經不甘於用神話解釋世界的哲學家聚集在小亞細亞的小城米利都(Miletus)。他們中以泰勒斯(Thales)為首,拋開了天神,開創了以物質解釋宇宙的學說。這就是史上最早的唯物主義哲學流派——米利都學派(Milesian school)。

泰勒斯主張世界萬物起源於水;他的弟子阿那克西曼德(Anaximander) 進一步發展了其理論,主張世界起源於一種他稱為 Apeiron 的無限小的物質。阿那克西曼德的弟子阿娜克希曼尼斯( Anaximanes)主張世界起源於空氣。 在這些米利都學派理論的基礎上,恩培多克勒( Empedocles)首先提出宇宙的四元素說:宇宙由土、火、 空氣和水四種元素組成,並且進一步地給出了四種元素幻化成萬物的路線圖。這些唯物主義的觀點都包含了生命來源於非生命物質的推論 。

宇宙由土、火、 空氣和水四種元素組成,圖/by Clker-Free-Vector-Images@pixabay。

最早系統闡述自然發生說當屬亞里斯多德(Aristotle)。 亞里斯多德是位不世出的大牛,他和老師柏拉圖(Plato)(或許還得算上柏拉圖的老師蘇格拉底(Socrates))奠定了西方哲學的基石。他雖然是柏拉圖的學生,但是他的學說和柏拉圖的基本是截然不同甚至是針鋒相對的。與柏拉圖相比, 亞里斯多德在自然科學上的成就尤為重要,可以說是第一個百科全書式的人物。他的研究涉及了當時自然科學的幾乎所有領域, 包括天文、物理、化學以及生物等等。

亞里斯多德雕像,圖/by Jastrow (2006)@wikipedia commons。

亞里斯多德在生物學上用功尤多,是第一個系統記錄下自己的生物學觀察與研究的科學家(至少是現在有據可查的第一個)。他仔細觀察了多種動物的形態和生命史,包括章魚、鯰魚、鯊魚等等, 有的觀察對像直到 19 世紀才再次被科學家「發現」。他也是第一次對動物進行了分類的科學家。

亞里斯多德對生物起源的研究主要集中在《動物史》(On the History of Animals)一書。在這本書中,他把詳細描述了各種生物的生命史,有卵生的、胎生的,還有自然發生的。 比如在第 6 章第 15 節,他提到「大部分的魚都是由卵孵化的, 但是有一些魚卻並非如此⋯⋯它們是從淤泥、 沙土以及腐殖質中產生⋯⋯在原本已經干旱的池塘中, 一旦有水到來,那麼就有小魚出現。這些魚大概是鯔科( mullet)的一種,這些魚既不產卵,也沒有奶⋯⋯」。

在第 16 節,他又提到鰻魚(eel)。「有人說,鰻魚是從自己的同類中產生,因為他們觀察到了一些鰻魚的幼蟲。但是這些論點都是沒有事實根據的。鰻魚產自一種叫做『土地之源(earth’s gut)』的東西,這些東西是從淤泥和潮濕的土地中產生的。」

美洲鰻的幼苗。圖/Kils ,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,wikimedia commons.

在另一本書《動物的產生》(Generation of animals)中,亞里斯多德又提到一些昆蟲也通過自然發生的方式產生,而植物也可以通過類似方式吸取土地裡的營養而自然產生 。

可以說在亞里斯多德的生命誕生體系中,生命的誕生有兩種途徑:第 一種是來源於另外的生命(比如卵生和胎生),第二種就是自然發生 。無論哪種情況,他都認為不需要有超自然力量的干預。

亞里斯多德的學生泰奧弗拉斯托斯(Theophrastus)把興趣轉向了他的老師較少關注的植物方面。他在《植物史》(His tory of Plant)中說,植物的產生也可以分為兩類,比較大的木本植物通過種子而產生,而比較小的草本植物則可以自然產生。這樣,兩師徒就奠定了自然發生說的理論基礎。

《植物史》中說,植物的產生分為兩類,比較大的木本植物通過種子而產生,而比較小的草本植物則可以自然產生,圖/by Buntysmum@pixabay。

在往後的古典歲月中,自然發生說被廣泛地接受,不斷有科學家為之添磚加瓦。羅馬科學家兼作家老普林尼(Pliny the elder)在《自然史》(Narualis Historia)中提到,青蛙在淤泥中產生,活了幾個月後又重新變為泥土,循環不息。羅馬地理學家梅拉(Pomponius Mela)在介紹尼羅河的時候指出尼羅河的水是河裡所有生命之源 ,小至小魚、大至鱷魚,都是從水裡產生的。這些論斷根深蒂固,深入民心,許多文學家在其作品內都有這些自然發生說的描述,比如奧維德的《變形記》(Ovid Metamorphoses)就描述青蛙在泥裏產生。

基督教與自然發生說

公元 313 年是歐洲歷史上關鍵性的一年。這年羅馬皇帝君士坦丁一世頒發了米蘭敕令(Edict of Milan),宣布羅馬帝國承認基督教的合法地位。從此,基督教的發展一日千里,迅速成為羅馬帝國的主流宗教。

基督教奉行上帝的創世說,從根本上看來,與亞里斯多德所堅持唯物主義範疇的自然發生說並不兼容。可是,生命能夠從非生命的物質中變出來的觀念已經流行了幾百年,而且自然發生是很多人都能夠「觀察」到的現象,成為「常識」,僅僅是上帝的權威並不足以否定自然發生說。另一方面,亞里斯多德在學術界的權威已經建立了幾百年 ,基督教的學者也把他的著作奉為經典,他的地球中心說在托勒密( Ptolemy)的完善下成為基督教不可動搖的核心理論之一。於是基督教不得不尋求一種中間道路去處理這個問題。

基督教奉行上帝的創世說,從根本上看來,與亞里斯多德所堅持唯物主義範疇的自然發生說並不兼容,圖/by GoranH@pixabay。

被基督教稱為神學之父的聖奧古斯丁(Saint Augustine, 354-430)首先注意到了這個不兼容。他的解決方案是從聖經中尋找相關線索。奧古斯丁身為神學權威當然不是浪得虛名, 他果然找到了證據:在創世紀 1:11 是「地要產生青草」(Let the land produce vegetation);創世紀 1:20 是「水要滋生活物」(L et the water teem with living creatures);創世紀 1:24 為「地要生出活物,各從其類」(Let the land produce living creatures according to their kinds)。這不就是自然發生說的鐵證嗎?

奧古斯丁向來主張不能機械地閱讀聖經,比如創世紀中說上帝在 6 天內創造了萬物,他就認為這個 6 天並不是一個時間概念,而是在邏輯 上的先後概念等等。在上帝創世方面,他認為上帝在創造生物的時候 ,並不是直接創造了生物,而是播下了生物的「種子」。 這些種子在合適的條件下,就能根據上帝定下的原則, 變為各種生物。這下,上帝創造論和自然發生說就變得兼容了。

在西羅馬帝國被滅之後,西歐進入了黑暗時代,希腊羅馬的璀璨文化全盤覆沒,基督教成為了西歐的壟斷性宗教。亞里斯多德的書籍也大量流失,在西歐,只剩下少數幾本拉丁文譯本。奧古斯丁對於自然發生說的解讀成為之後流傳 8 個世紀的關於生命起源的標準答案。

聖奧古斯丁畫像,圖/by Los Angeles County Museum of Art: online database: entry 171584@wikipedia commons。

直到 13 世紀,亞里斯多德的著作才從阿拉伯流回西歐,並翻譯成為拉丁文。西歐的學者才再次有機會閱讀了亞里斯多德的著作。黑暗時代的終結再次帶出宗教界的殿堂級學者——意大利的聖阿奎那(Sain t Thomas Aquinas 1225-1274)。

阿奎那仔細閱讀了亞里斯多德的生物學著作之後,發現亞里斯多德列舉了兩種生物產生的模式,除了自然發生說之外,還有一種是由另外的生命所產生,強調生命的無始無終。而這種模式, 與奧古斯丁的理論是不兼容的。於是阿奎那給出了生命誕生的另一種 解釋。上帝在創世的時候,確實是創造了萬物(而不僅僅是種子)。 從那個時刻開始,萬物代代相傳。而且上帝還不時顯示他的神跡,不 斷創造出新的生命,這就是自然發生。

在阿奎那的詮釋下,上帝變成了無所不在,而不僅僅是「第一推動力」。這一說法當然更能迎合基督教對於上帝的膜拜。於是阿奎那的解 釋取代奧古斯丁的解釋,成為基督教關於生命起源的標准答案。 阿奎那的解釋,貌似調和了亞裡斯多德和基督教的矛盾,事實上卻是偷偷地把亞里斯多德的唯物論轉頭換臉成為上帝的功績,實在是與亞里斯多德的原意大相徑庭。

黑暗時代的終結再次帶出宗教界的大牛人——意大利的聖阿奎那,圖/from The Demidoff Altarpiece

不管怎樣,從奧古斯丁到阿奎那,絕大部分基督教學者並不質疑過自然發生說。反而在阿奎那之後,為了顯示神跡, 對於自然發生的描述更是有增無減。這與更後來的基督教學者反對自然發生說的態度可謂兩個極端(以後的文章會有更詳盡的討論)。

不過隨著近兩千年的觀測,自然發生的範圍對比亞里斯多德時代早已慢慢縮窄了。大動物的自然發生被認為是不可能或者極為罕見的,只 有小動物如昆蟲和老鼠才能經常被觀察到「自然發生」。畢竟神跡不可能輕易被發覺,如果隨處可見也就不配稱為神跡了。

就這樣,時間流淌進入了 17 世紀。由於幾個科學巨人的出現,自然發生說才面臨真正的挑戰。

參考資料:

  • Things come to life : spontaneous generation revisited 2002, Henry Harris
  • Sparks of life : Darwinism and the Victorian debates over spontaneous generation 2000, James Edgar Strick.

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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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