圖解演化學

1-1　生命的本質

(一) 生命的本質

生命科學歸根究底，是要回答「生命的本質」這類的問題。在日常生活中，人們可以很容易地區分生物與非生物，但是從科學的角度，卻是一個很難精確回答的問題，因為生命現象是極其複雜，卻又多彩多姿。隨著生命科學的飛躍與發展，我們得到了某些總結與歸納，作為對未來前進的探討方向。

英國已故的大哲學家「羅素」（Bertrand Russell）曾說：熱愛生命是一份與生俱來的感覺，他對生命（Life）的感覺有三，其一是神祕絕倫（Mystery），其二是奇妙無比（Wonderful），其三就是豐富多樣化（diversified）。

在古代，哲學家已經十分關心生命本質的問題，後來的人認為「生命科學」是研究生命的共同特徵與生命共同的發展規律。隨著人類社會的進步和文明的日益發展，人類更加珍惜生命，追求健康，更加重視對生命奧秘的研究和對生命科學知識的學習。

(二)「生命」是什麼呢？

這個世紀性難題鼓勵了一代又一代的物理學家與生物學家去探索生物系統的本質，它是否與量子力學、化學、生物資訊（DNA與遺傳密碼）、天擇或者自我組織行為息息相關呢？

而“活的東西就是生命”，“能動的東西是生命”，“生命可以新陳代謝”，等等，這些回答都沒有錯。但人類對生命系統的認知，並不完備，其核心問題仍是一個謎。要簡單明瞭，並且較系統地回答什麼是生命這個問題，就要區分生命與非生命的範圍，首先應該了解生命或生物的基本特徵。

演化可能比達爾文所設想的，還要豐富，我們相信自我組織系統與天擇的整合，可能是生物圈中的演化理論。雖然我們了解分子生物學中的許多程序與元件，但此核心問題，對我們而言，仍然是一個謎團。

如果生命在不斷地演化，那它們必須遵照「天擇」(Natural Selection)與「自我組織系統」(Self Organization System)來演化，這是從簡單的物理化學形式演變成複雜生命系統的唯一途徑。

小博士解說

對生命本質的認識，目前尚未定論，人們還是在努力探索問題的答案。

1-2　生命的基本特徵

細胞是生物體的基本單位

除了病毒（virus）之外，細胞（cell）是生命存在的最基本形式，是一切生命活動的基礎。細胞被人們稱為生命的基礎單位，其原因有三:

第一，所有的生物都離不開細胞這一生命的基本架構，其可能本身就是一個細胞，

或者由許多細胞建構而成。因此，我們離開了細胞就沒有了生命。

第二，細胞也是生命活動賴以生存的基礎。各種細胞不僅呈現了其共同的基本生長過程，例如新陳代謝、生長分裂凋亡等等。由此賦予了生物整體的生命屬性，而且多細胞生物所表現的各種高度轉化的生命活動，也都是建立在細胞活動的基礎上。

第三，地球上最早生命所攜帶的遺傳物質，因生物經歷演化(使細胞分化、細胞架構的建立)，而讓生物演化更具環境適應性。

由成千上萬的細胞可以組成複雜的生物體，例如高大的樹木、大象或人體；單細胞也可以組成簡單的生物體，單細胞由大分子及分子所組成。病毒（例如噬菌體）主要是由核酸和蛋白質外殼組成的簡單生命個體，它雖然沒有細胞結構，但仍然具有生命的其他基本特徵。

細胞是生命的「單位」，一切生物都離不開細胞這一生命的基本形態結構，它是生命活動賴以進行的基礎。地球上生命的起源與確立，直接地關係著最早細胞的形成，而以後的生物演化與細胞分化和多細胞架構(body plan)的建立具有密切的關係。

小博士解說

細胞本身是一個動能系統，它不儘處在不斷地運動過程之中，它的結構也是可變的。生命也正是因為細胞具有的這一性質，才獲得了它特有的多樣性，和向高階形式發展的潛能，即生命獲得了演化的依據，經過漫長的歷史，「自發」地造就出了目前這個多彩多姿的生物世界。

1-3　生長與演化

(一)龐大的生物系統

地球上的生命誕生於大約35億年前，從原始的單細胞生物開始，經過漫長的生物演化，在走過了多細胞生物形成、各種生物物種的發生到高等智慧物種，例如人類出現等重要的發展階段之後，形成了今天龐大的生物系統。

(二)小博士解說

這就是說生命的存在具有時間性，就整體而言，生命所表現出的是一種不可逆(Irreversible)的物質運動現象。

1-4　系統論的觀點

(一) 自我組織系統

無論是從架構面還是從生命活動面來加以觀察，生命無疑都是一個高度複雜的動態系統（Dynamic System）。從系統論的角度可以給生命另一種認識模式。

系統論的研究啟示我們，物質世界具有一定的有序構成形式，並且物質世界的有序構成處在不斷地轉化的過程之中。有序構成的轉化以動力學系統形成、發展和消亡的方式表現出來，它們構成了物質世界的演進。生命是物質這一基本屬性在特定階段和條件下的表現，它代表著一種特定的有序構成和動力學過桯。生命動力學系統的基本架構是具有方向性的DNA-RNA-蛋白質的結構，它是一個高度有序的（從結構和生命活動上看都是這樣）、開放的（新陳代謝）、具有耗散（Dissipative）特徵的（生命的維持需不斷地伴隨著物質和能量的消耗），而又是遠離平衡狀態的（在生長、發育、世代交替、生態結構變遷中，生命不斷地否定著自己）動力學系統。生命所依存的這個動力學系統透過其開放、耗散和遠離平衡狀態的動力學運動過程，獲得了不斷進行自我組織（Self Organization）（表現在各個層級的結構和程式不斷更新方面）的屬性，實現了多層級超循環結構的建構（從分子層級到細胞層級，到多細胞生物的複雜階層關係，再到生物群集和生態結構，都包含著許多複雜的正負回饋調節和控制的結構）。在生命動力學系統混沌（生命不斷地發生著各個層級的突變）和吸引子（突變的發生和選擇存在方向性）的作用下，其自身的方向性結構不斷地朝著更高的層級邁進（從DNA-RNA-蛋白質的結構的方向性出發，導致多細胞階層結構出現，再引導智慧型生物出現）。在這一過程中生命獲得了維持（遺傳）並不斷提高自身有序構成水準的能力（演化），並同時接受著環境的影響，表現在它自身結構的複雜化、多元化和適應環境的靈活性、主動性不斷提高等方面。

(二) 印記（Imprint）

在生命有序性提高的過程中，生命同時呈現出層級漸進和多樣化發展的碎形演進趨勢。我們所見到的生命是物質上述屬性在地球特定環境中的表現，它的存在形式不可避免地從開始，以及在隨後的發展過程中都深深地烙下了這一特定環境條件的印記（Imprint）。這就是生命，就是我們見到的包括我們自身在內的地球上的生命。這裏大略地講述了從系統論看生命的內容，其中參照、歸納了不同來源的論述和觀點，也不一定完全正確，但從中我們可以看到人們對生命現象認識不斷深入的趨勢。我們認為系統論的思考表現的是對生命現象認識的深入，因為這樣的分析使我們有可能對各種生命現象的瞭解，以便統一在一種整體觀點上，最大限度地將生命現象放在了宇宙物質存在和發展的大背景中來研究，也就能將生命現象和其他自然現象進行互動的分析和比較。

小博士解說

自我組織實現了多層級超循環結構的建構，我們所見到的生命從開始，以及在隨後的發展過程中都深深地烙下了這一特定環境條件的印記。

1-5　21世紀生命科學的挑戰

從達爾文到DNA

21世紀生命科學的三個重要研究工作為:

(1)人類基因組解讀計劃

(2)人類對大腦的研究

(3)動物複製技術的發展

人類有將近60%的疾病與基因變異有關，人類有意識，會思考、學習，其原因在於大腦，生物科技使人類擁有複製動物的能力，卻引起了空前的人類價值問題，如何藉助於科學來創造人類的美麗新世界(Brave New World)，教育社會大眾認識生命科學，這是全人類的挑戰。

分子生物學的發展，使人們更為瞭解生命現象。但是同時，人們也越來越深刻地感到生命現象是一個複雜的系統問題，而不能單純地歸結於分子層級的活動。至目前為止，已進行的兩種重要的系統工程為人類基因組(Human Genome)的定序與大腦整體資訊圖樣Brain Mapping)，此類工作的延伸反映了今後生命科學的發展趨勢。

小博士解說

21世紀生命科學的三個重要研究工作為:(1)人類基因組解讀計劃(2)人類對大腦的研究(3)動物複製技術的發展。

1-6　現代生命科學的架構

(一)生命科學的挑戰

在科學發展的歷史長流中，各門學科並非齊頭並進。近代科學的領頭學科是力學，現代科學的尖端學科是物理學，21世紀的尖端學科是什麼?很多人看好生命科學。

人們在嚴格科學實驗的基礎上，研究人腦的活動，其中包括思想與情感；神經科學、心理學、語言學、哲學與電腦科學的科際整合，形成了一門嶄新的尖端學科:認知科學(Cognitive Science)。生命科學的發展促進了自然科學與人文科學的整合。

(二)現代生命科學的架構

今天的生命科學已經形成了一個具有廣泛內容與複雜結構的龐大系統。總而言之，生命科學的最基本課題可以歸納為三個層面:

(1)研究生命的架構及形成過程

(2)了解生命活動的運作規律

(3)探討生命的起源與演變歷史

小博士解說

在本通識課程中，篩選了重要的關鍵性核心概念，作概要性的論述，使讀者能從中獲得對生命現象的基本了解。

1-1　生命的本質

(一) 生命的本質

生命科學歸根究底，是要回答「生命的本質」這類的問題。在日常生活中，人們可以很容易地區分生物與非生物，但是從科學的角度，卻是一個很難精確回答的問題，因為生命現象是極其複雜，卻又多彩多姿。隨著生命科學的飛躍與發展，我們得到了某些總結與歸納，作為對未來前進的探討方向。

英國已故的大哲學家「羅素」（Bertrand Russell）曾說：熱愛生命是一份與生俱來的感覺，他對生命（Life）的感覺有三，其一是神祕絕倫（Mystery），其二是奇妙無比（Wonderful），其三就是豐富多樣化（diversified）。 ...

從演化的角度來看，生命好比是一條訊息的漫漫長路。訊息在源頭起始之後，分成無數的歧路支流分散出去，然後又匯聚成無數種變化多端的組合。在代代相傳的過程中，訊息會從這個個體流到下一個個體，一路上指揮著新個體的成形與組合。每一個個體的成功將決定它所攜帶訊息的命運。訊息在往下游流動的過程中，會經過一些萃取（Extraction）與篩選（Selection）的程度，把最實用的部分繼續傳給下一代，此種選擇性的訊息流動，說穿了就是演化機制(Evolution mechaniam)。

　演化的主要機制:天擇(Natural Selection)，嚴格說起來包括兩個步驟：即機會（Chance）和選擇（Selection）。「機會」指的就是一個族群中的訊息總量(即基因庫)，會產生隨機的變化；「選擇」則是指非隨機性地去蕪存菁。所謂「取其菁華」的物種，就是指那些對生存與繁衍後代有所貢獻的物種。

　機會與選擇總是相輔相成，兩個條件形成天擇。大自然會改變基因庫中的訊息；基因訊息的變化會改變生命的形式；生命的形式又會與環境互動(Interaction)；最後，環境將選擇最有利於該生命形式生存的變化（Variation）。於是，成功的變化被保留下來，並有機會加以持續改善（Continuous Improvement），這可以證實為何我們周遭的一切生物，似乎都很能適應它們所處的環境，即適者生存(Survival for the fitness )。不論各種動植物或者礦物，都算是演化過程中成功的實例。你知道嗎？地球上所有曾經存在過的生物中，超過99%種皆已經滅絕(Extinction)了！

　機會加上選擇，形成了各種創意表現的基礎。機會造就了嶄新的事物:　一種嶄新、完全無法預料（Unpridictable）的結果。選擇則專門篩選那些可以與現況完全吻合的創新(Innovation)。機會與選擇在一起運作之後，可以產生能夠充分適應環境的驚人結果，就好像是事先量身訂做(Customization)的精緻極品一樣。不過我們知道演化可能帶來非常複雜的結果，所以它不會、也不可能具有事先計畫好的目標。

生命的起源與演化為生命科學之中一個相當有趣的問題。它涉及到地球上的生命是如何從無機物中演化而來的，而在其他星球中是否也存在著生命，生命是如何由簡單發展到複雜，以及如何運用生命的演化來造福人類。本書全方位地介紹了一百五十年來有關生物演化的各種研究成果，與演化學的最新發展趨勢，讀者可以從中深刻地瞭解演化學的來龍去脈。

本書巧妙地將每一個單元分為兩頁，一頁文一頁圖，左頁為文，右頁為圖，左頁的文字內容部分整理成圖表呈現在右頁。右頁的圖表部份除了畫龍點睛地圖解左頁文字的論述之外，還增添相關的知識，以補充左頁文字內容的不足。左右兩頁互為參照化、互補化與系統化，將文字、圖表等生動活潑的視覺元素加以有效整合。

本書的編寫，因時間匆促，疏漏與不完備之處在所難免，尚望海內外先進不吝斧正。最後非常感謝林則武先生不厭其煩，對從頭到尾的全文，皆做了精密細緻的修改工作，林則武先生對也對全文做了改稿與潤稿的工作，儘量使本書的錯誤降到最低的程度，洪源煌先生為本書自行製作了精美的圖片，本書一部分精美之插圖版權皆授權自加拿大之Can Stock Photo公司，若沒有他(她)們的積極參與、堅持不懈、持續改善、逐步求菁的精神，本書將不可能如期完成。

從演化的角度來看，生命好比是一條訊息的漫漫長路。訊息在源頭起始之後，分成無數的歧路支流分散出去，然後又匯聚成無數種變化多端的組合。在代代相傳的過程中，訊息會從這個個體流到下一個個體，一路上指揮著新個體的成形與組合。每一個個體的成功將決定它所攜帶訊息的命運。訊息在往下游流動的過程中，會經過一些萃取（Extraction）與篩選（Selection）的程度，把最實用的部分繼續傳給下一代，此種選擇性的訊息流動，說穿了就是演化機制(Evolution mechaniam)。

　演化的主要機制:天擇(Natural Selection)，嚴格說起來包括兩個步驟：即...

第一章 生命世界
第二章 生物的行為
第三章 生物的演化
第四章　倫理與社會問題
第五章 達爾文與演化論
第六章 達爾文的物種起源論
第七章 遺傳學導致演化論的發展
第八章 達爾文之後演化論的發展
第九章 微生物學與演化論的發展
第十章 21世紀的演化論

第一章 生命世界
第二章 生物的行為
第三章 生物的演化
第四章　倫理與社會問題
第五章 達爾文與演化論
第六章 達爾文的物種起源論
第七章 遺傳學導致演化論的發展
第八章 達爾文之後演化論的發展
第九章 微生物學與演化論的發展
第十章 21世紀的演化論