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一場環球旅行引發的演化論經典著作《物種起源》——《讓人生從此改變的科學思考》

PanSci_96
・2019/01/21 ・2581字 ・閱讀時間約 5 分鐘

《物種起源》的問世:那些怪怪島上的怪怪生物

這件事發生在達爾文放棄就讀醫學院,重新進入劍橋大學修習神學,準備朝著牧師之路邁進的時候。他在此時得到機會搭上英國海軍測量船「小獵犬號」,為人生帶來重大改變:這次機會使他放棄成為牧師,走上博物(生物)學者之路。

小獵犬號的船長當時二十六歲,是一名業餘地質學家,他想在船上尋求可以對談的知識分子,於是選中了二十二歲的達爾文。

小獵犬號(HMS Beagle)。圖 / Wikimedia Commons

小獵犬號繞地球一圈的航程長達五年,達爾文在行經南美各地時,曾下船前往內陸地區四處調查。有一次,他登上位於今天厄瓜多的加拉巴哥群島,這次經驗讓他在不久後便建立了演化論。

加拉巴哥群島由大大小小超過一百座以上的島嶼及岩石組成,象龜、鬣蜥、企鵝等許許多多生物在此棲息,這些生物都不只與大陸上的生物大相逕庭,每座島上的生物也都有不同的特徵。

加拉巴哥群島上曬太陽的鬣蜥。圖 / pen_ash@pixabay

觀察到這個現象的達爾文心想,這些生物或許是因為生活在被海洋包圍的環境,所以發展出異於大陸的獨特演化體系。回國後,達爾文建立了「生物可能在反覆突變中逐漸演化」的假說,而這個假說也在一八五九年出版的《物種起源》中首度問世。

達爾文 1859 版《物種起源 Origin of Species》封面。 圖 / wikimedia

達爾文在《物種起源》中所寫的假說是這樣的:

各式各樣的生物經過反覆突變,演化成現在的樣貌。所謂的「突變」,指的是後代突然出現與親代或祖先不同的性狀;而「性狀」則是指生物的特徵,是將生物分類的重要依據。

達爾文認為,如果沒有突變,生命就無法演化。各種生物在突變中誕生,而其中必定只有能躲避天敵、適應環境的物種存活下來。這就是達爾文提出的假說。

是「演化」不是「進化」,讀成弱肉強食就搞錯啦

如果沒有好好理解達爾文的演化論,會誤以為那就等於弱肉強食;也就是生物為了適應環境而產生突變,最後只有繼承這個突變基因的後代,才得以存活下去。

但突變並不是這麼回事。所謂的「突」指的是突然,換句話說就是後代偶然出現不同於親代的性狀。

漫長的歷史當中,應該也有許多生物即使發生突變,卻仍無法存活下來。許多生物發生了各式各樣的突變,能夠存活下來的,只有突變後「偶然」能適應環境的生物。所謂的突變,不過就是偶然發生的現象。

所以,翻譯成「演化」,或許比「進化」更符合實情。「進化」給人生物不斷進步的感覺,不過這可能只是人類的一廂情願;實際上是生物一再且偶然地發生突變,而且只有剛好能適應環境的生物存活下來。

咦?在說我嗎?圖 / publicdomainpictures

舉例來說,長頸鹿的脖子為什麼會那麼長呢?

想必大家都知道原因了吧!並不是原本脖子短的長頸鹿拚命想吃到位置高的食物,最後脖子就伸長了,而是某天長頸鹿因突變而誕生了脖子比較長的個體。當然,仍有許多未突變的短脖子長頸鹿,但是牠們只能取得低處的食物,競爭對手當然比較多,最後距離地面較近的食物就被大家吃光了。如此一來,脖子短的長頸鹿自然無法繼續存活下去。

至於因為突變而生來就有長脖子的長頸鹿,則可吃到競爭對手吃不到的高處樹葉。到了最後,只剩下長脖子的長頸鹿存活下來。

編按:關於長頸鹿演化的討論,可參考延伸閱讀:麒~麟麒~麟,你的脖子怎麼那麼長?

達爾文的演化論的確為十九世紀的英國社會帶來衝擊。基督教會在當時的英國擁有極大的勢力,使得「神創造萬物」的想法仍是主流。達爾文所提出「生物一再發生突變,最後只有適應環境的個體才能存活」的說法,等於否定了神的造物性。

因此,基督教長期以來都對演化論持否定看法,直到一九九六年,才由前面介紹過的教宗若望保祿二世發表承認演化論的書簡。不過,近年又發生了變化,美國出現了「智慧設計論」的想法。提倡者認為,生物的某些特徵過於複雜,用無序的自然演化無法充分解釋,應是由另一個更高的「智能」設計而來;也就是試圖在演化論的基礎上,說明神的造物性,但普遍不受科學家支持。

到底什麼「突變」了?後來才誕生的基因觀念

那麼,「突變」是什麼東西發生變化呢?

達爾文並沒有想到「基因」的概念。直到二十世紀後半,分子生物學的研究成果揭曉了基因的存在,才為達爾文的演化論帶來新的曙光。因為科學家發現,所謂的突變,是由染色體的基因突然發生變異所引起的。

突變是基因的變化,但基因又是什麼? DNA 和基因是不是一樣的東西?這應該也是很多人似懂非懂的問題吧!

細胞中有稱為「核」的部分,核的裡面有許多絲狀物體,它們就是染色體。之所以命名為「染色體」,是因為它們很容易以實驗用的染料染色。

染色體是由 DNA 和蛋白質所組成的,而 DNA 的正式名稱是「去氧核醣核酸」,因為裡面含有「去氧核醣」這種物質,使得細胞核內呈現酸性。由此可知,DNA 是一種物質的名稱。

雙螺旋結構的 DNA 分子,雙股結構由 A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鳥糞嘌呤)四種鹼基連結而成。圖 / 究竟出版社提供

DNA 分子為雙螺旋結構,兩股之間以 A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鳥糞嘌呤)這四種稱為「鹼基」的物質兩兩成對連接起來,而且 A 一定與 T 相對應,C 一定與 G 相對應。簡單來說,DNA 分子中的鹼基都是以 CGATGCTA⋯⋯這種有如文字般的方式排列,而生命的發生、疾病與老化的機制等遺傳訊息,就透過這樣的排列方式表現出來。這些鹼基排列的順序稱為「DNA 序列」,也就是所謂的「基因」,因此,基因指的不是物質名稱,而是資訊。

如此一來,科學家當然會想針對基因進行更深入的研究,譬如 ATGC 的哪種排列方式會對應到生命的哪種作用。類似這樣的基因解析,正在目前的分子生物學領域中急速發展。

 

本文摘自《讓人生從此改變的科學思考》,2018 年 9 月,究竟出版。

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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