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生命的演化如何因為穩健,所以創新?──《生命如何創新》導讀

創新,是近年相當火紅的名詞!教授、官員、名嘴都能朗朗上口。

他們告訴我們,國家經濟的成長需要創新、社會進步需要創新、生活品質提升也需要創新,但什麼是創新?一個存有的事物如果能夠源遠流長,不就代表歷經時間考驗的老東西更好用嗎?

在我們的社會中,追求穩定和不變的保守分子,與追求變化和創意的創新分子,看起來是對立的。然而,一味求新求變,就不可能有足夠的積澱,也叫人無所適從,單單為了應付朝令夕改的政策就疲於奔命;可是以不變應萬變,故步自封、墨守成規,可能無法因應環境瞬息萬變的趨勢洪流。

那究竟要如何取得平衡呢?

不進則退,進太快則跌倒?via giphy

創新跟穩定間有機會取得平衡嗎?

關於這個大哉問,我們還是虛心向演化了幾十億年,歷經各種驚濤駭浪、龍潭虎穴的生物來學習吧!

正好有兩位深入探索演化如何創新的大師級科學家都姓華格納,也剛好都是奧地利維也納大學的校友,都在美國耶魯大學待過,所以不瞞大家說,我剛開始有時候也會搞錯對象。根達.華格納(Günter P. Wagner)是現在美國耶魯大學生態及演化生物學系的講座教授,曾擔任過中央研究院生物多樣性研究中心的學術評鑑委員,對台灣文化深感興趣,我還帶他去參觀過台北孔廟及保安宮。

本書作者安德里亞斯.華格納(Andreas Wagner)則是瑞士蘇黎世大學的教授。他曾在維也納大學主修生物學,於一九九五年在耶魯大學生物系獲得博士學位,師事根達.華格納。然後他到德國柏林高等研究院當研究員,接著在美國新墨西哥大學生物系、後來到了蘇黎世大學生物化學系任教。自一九九九年以來,他同時也是複雜科學的聖地—新墨西哥州聖塔菲研究所的外部教授。自二○一六年起,他擔任蘇黎世大學演化生物學與環境研究系系主任。

本書作者安德里亞斯.華格納。圖/Sylvie Blotiere@wikimedia

自從達爾文發表了《物種起源》(On the Origin of Species),他的天擇說有個大問題,就是他假定族群中存在可遺傳的變異,天擇從中挑出適應環境的存活者。可是達爾文並不知道孟德爾的發現,儘管他們曾經生活在同一個時代,所以前者無法解釋變異從何而來、從何而去。孟德爾的發現一直要到二十世紀初才被三位歐洲科學家「再發現」。

演化生物學界的現代演化綜論

一九一八至一九四○年,演化生物學界興起了一股運動,就是把孟德爾的遺傳學,加上分類學、古生物學、動植物學、族群遺傳學等學科的理論和知識與演化論整合在一起,史稱「現代演化綜論」(modern synthesis)。

現代演化綜論讓演化論成為科學中一個有完整架構且嚴謹的理論,尤其族群遺傳學更是使用嚴謹的數學作運算,並且有紮實的實驗能夠多次精準地作出預測。然而族群遺傳學家關注的是微觀演化的現象,也就是性狀在代代之間的改變,基本上是量變而非質變,雖然他們相信質變不過是巨大的量變而已。

事實上,族群遺傳學家根本不太關注所有「新性狀」是如何產生的。例如,利用族群遺傳學的方法,可以解釋某種鳥類身上某幾根羽毛的平均長度在一代一代之間變長了多少,可是對於解釋羽毛是如何憑空演化出來,卻是無能為力、也不是族群遺傳學家想去探討的。

不少人對於生物的原貌有著濃厚興趣,此為始祖鳥復原模型。圖/Rama@wikipedia

族群遺傳學家把持演化遺傳學的話語權維持了好幾十年,直到約三十年前出現了演化發育生物學(evo-devo,evolutionary developmental biology)這個學門,演化生物學家才開始重視從胚胎發育以及表現型和基因型間的關連,來研究生物是如何演化出前所未見的新構造或新功能。根達.華格納本人就是試圖用演化發育生物學的方法解釋演化創新的一員大將。

然而,演化發育生物學卻又有其局限性,因為親緣關係遙遠的物種無法交配進行孟德爾式遺傳實驗,所以發育生物學家只能用已知的知識去猜測是哪些基因起了作用,再用胚胎去做基因表現的染色圖譜,探究某些基因在胚胎發育時發生了哪些時空變化。我在念博士班時,母校一些族群遺傳學大老就戲稱我們使用的這種方法是「在胚胎上劃線」而已。

還好,近年除了演化發育生物學,分子演化學、基因體學等領域也拜DNA定序愈來愈價廉物美所賜而突飛猛進,加上一些生物化學和生物物理學的知識也被用來解釋更多生物演化的現象,讓演化生物學百家爭鳴,綜合起來有更強大的解釋力!

綜合各學門的理論,演化生物學終於越來越能有預測能力啦!(放煙火)via giphy

根達.華格納的弟子安德里亞斯.華格納同樣是位很有創造力的科學家,頗有青出於藍之勢。他精通分子演化學、基因體學、生物化學,並且有良好的數學能力,於是他大膽地挑戰過去被忽視近百年的大哉問:演化是如何創新的?他的研究興趣和工作圍繞著生物系統的「穩健性」(robustness)以及創新力,探討生物如何創造出新的特性,幫助生存和繁殖。

穩健性是創新力的關鍵

他認為,要解釋演化上的創新,單單用隨機的運氣是不夠的。他認為天擇能夠解釋適應性的存活,但無法解釋適應性的出現。打個比方,解釋智慧型手機戰國時代品牌的演替是一回事,解釋 iPhone 的橫空出世、引爆智慧型手機熱潮又是另一回事。

安德里亞斯提出穩健性是創新力的關鍵。在他的理論體系中,穩健性是生物系統承受微擾動(如DNA突變和環境變化)的能力。他曾開發了一個針對基因調控線路的數學模型,並使用這個模型來驗證天擇可以增加這種線路在發生 DNA 突變時的穩健性。

我們可以想像基因調控線路就像電腦的主機板,上頭有各種電路。他的模型顯示,天擇會篩選出更耐受突變的基因調控線路,不會一丁點小突變就掛點,動不動就要砍掉重練。就像優秀工程師設計的電腦主機板會更穩定,不會裝了新程式就三不五時頻頻當機。

優秀的設計師會讓電腦系統穩定,不會動不動就當機。圖/Reuben Strayer@wikimedia

他的研究也顯示耐受突變干擾的穩健性,其中一種方式是來自冗餘的重複基因。天擇可以保持其冗餘度和隨之而來的穩健性。所謂狡兔三窟,有備而來的高手是不會把雞蛋全都放在同一個籃子裡,總是有B計畫,因此可立於不敗之地。然而,他也認為比冗餘更重要的是複雜生物系統的「分布穩健性」,這是由於多個不同部分(如調控網絡中的蛋白質)的協作而產生的。

這就像一家有多據點的跨國大企業,不會因為一些員工多休幾天假就喪失競爭力。

安德里亞斯提出穩健性可以加速生物演化的創新,因為有助於生物體抵禦其他有害的突變,更能夠創造新的和有用的特徵。這是比較反直覺的,穩健和新穎似乎是天秤的兩端。但他的理論提出DNA上穩健的轉錄因子結合位點可以促進新基因表現的演化。

因此穩健性的另一個後果是,演化中的生物族群可以積累隱蔽的遺傳變異,這種變化在另一些環境中可能會帶來好處。這就像是一個成熟且有包容力的民主社會,不會因為政黨輪替等就被搞得七葷八素。

安德里亞斯認為,穩健性還可以幫助解決分子演化長期以來的爭議,這個爭論圍繞著頻繁的中性突變在達爾文演化中是否為重要的問題。中性突變指的是不好也不壞的突變,他認為中性突變就是穩健性的結果。因為暫時不會對表現型造成影響,中性突變成了後來的演化適應和創新的重要墊腳石。穩健的系統也讓一些性狀能夠擴展其功能。就像是穩健的大企業,可以更能無後顧之憂地擴展新業務。

安德里亞斯在二○一一年提出了一個創新理論,其中「創新力」(innovability),也就是生命系統創造創新的能力,是其穩健性的結果,而穩健性反過來又是由於曝露在不斷變化的環境中所造成。他提出,許多基因型網路會有相同表現型,所以這些生物族群可以通過DNA突變進行探索,並且有助於創新的起源。這像是現金多到幾世花不完的資本家,可以更放膽去進行高風險投資,因為幾次的虧損基本上不痛不癢。

將所有生命的蛋白質序列比喻為超大宇宙博物館

除了學術上的大哉問,在《生命如何創新》中,華格納要面對一個很具挑戰性的問題,那就是他非得把抽象的概念解釋得清晰易懂,所以他用一個包含所有蛋白質序列可能性的超大宇宙圖書館來比喻。因為圖書館實在太龐大了,所以大部分都是垃圾文字,但仍有可能出現經典名著。蛋白質圖書館也是一樣,大部分序列毫無任何功能,但極少數序列能夠作為酵素等等。

但問題是,在這龐大的圖書館中,一本書要演化成另一本書的機率實在太太太低了,那要怎麼辦到呢?

還好,我們要表達同一個意思,同一種語言中就有千百種說法。就和我們人類的文字一樣,要達成同一個功能,蛋白質的序列也可以是不同的。

所以在圖書館中,可以找到內容概念相近的書,那也就能找到序列不同但功能相近的蛋白質。一本書不會因為幾個非關鍵字出現了錯別字就有完全不同的意義,一個蛋白質也不會因為幾個非關鍵胺基酸的差異而有不同功能。這使得遺傳變異能夠大量累積而不致於發生損害。

他用圖書館來比喻,如果圖書館以字詞相似度來分類而非書籍屬性來分類的話,讀者可以於分散在圖書館不同處的房間裡讀到類似概念的書,可是隔壁架上字詞相似的書,卻可能呈現不同的概念或學科,因為關鍵字詞的改變,整本書就可能可以出現不同的意思。

當網路愈大,也就是書籍愈多,讀書的人口也愈大,就愈容易發生該狀況。同樣的概念也適用於代謝和基因調控的網絡,他甚至相信能夠適用到所有複雜系統中。

圖/Marcus Hansson@wikimedia

博學多聞的安德里亞斯.華格納在書中列舉了許多五花八門的生物分子和功能為例子,大大增加了可讀性。另外,歐洲科學家和美國科學家有一個很大的不同,就是前者更傾向做更哲學性的思考,這就是為何他會在書中提到古希臘哲學家柏拉圖的本質論(Essentialism)。

原本視物種為具有永恆不變本質的柏拉圖思想是演化論的大敵,但安德里亞斯卻為本質論辯護,指出二十一世紀的本質論並沒原先那麼簡單。不同生物趨同演化產生出功能上殊途同歸的蛋白質,就是因為它們有相似的本質,而序列只是投射進地穴中的光影。

創新的奧秘,是否能以自然為師?

雖然在《生命如何創新》一書中,安德里亞斯使用的例子都是數學、生物學或科技的,但由此可見,許多複雜的系統都有相似的結構與行為,這也是複雜科學的魅力所在。上述段落中,我用社會和企業的例子來比喻,並不見得完全恰當,但大自然能否為師,端看有沒有天才能有所悟。

科技趨勢專家凱文.凱利(Kevin Kelly)在《科技想要什麼》(What Technology Wants)(延伸閱讀:讀書心得 12)中也揭示了人類科技也出現類似趨同演化和反熵等等類似生物的現象,例如不同文明為了解決類似的問題而創造出相似的技術或工具等等。因此,書中提到的創新力奧祕,或許在我們身處的經濟和社會中,說不定也會有異曲同工之妙,非常值得我們再深入探究!

 

 

本文摘自《生命如何創新:大自然的演化創新力從何而來?》,由馬可孛羅文化出版。

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關於作者

來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋