行星.生命.演化

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左圖:達爾文於 1878 年之照片。右圖:道金斯。

行星:生命的起源

生命從哪裡來?

研究顯示生命大概源自太陽系內,而且要看你如何定義「生命之源」。

生命的源頭是第一個微生物?這個「微生物」與現代的微生物很可能大不相同。還是組成這個微生物的第一個有機化合物?如果你認為生命的源頭是碳原子,哪麼你甚或會認為生命源於太陽系外,畢竟我們都是星塵。

有些天文學家認為地球上的有機化合物是來自一些過去曾撞擊地球的小行星。也有科學家認為這些化合物是從地球上的古代大海之中,由比較細小的原子、份子通過吸收閃電、火山的能量組合而成。當然,這些情況也可能發生在其他行星之上,然後經由星體碰撞被拋進太空,變成隕石抵達遠古時的地球。

生物學家道金斯 (Richard Dawkins) 認為,生命源於地球的古代大海。各種不同、擁有自我複製能力的化學物質互相爭奪大海中的資源。然後到了資源差不多耗盡之時,因為某一次的自我複製出現了錯誤,而這個錯誤的效應是使這新份子擁有拆散其他份子的能力,從而把它們 (牠們?) 變成複製自己的材料。

這應該就是地球上第一個獵食者了。當然,也有一些錯誤複製的結果是致命的,使得新份子的求生覓食能力比其他份子低,而這些份子就會被大自然淘汰。其實在現今,這種錯誤複製也一直在我們 (或任何物種) 體內發生,我們稱之為突變 (mutation)。擁有突變後的DNA的個體如果比其他個體更能適應環境變化、擁有更多的後代的話,就會演化出新的物種。

回到過去的海洋。隨著時間一路推移,這些複製錯誤的份子互相爭奪資源、獵物。自我複製速率高、拆解對手能力高的一方,就會成為最後的大贏家。然而,贏家的代價就是再找不到食物,因為差不多所有的對手、所有的食物都被牠們吸收掉了。這時,這種份子就會開始大量死亡,因為沒有食物就等於沒有能量供應。寫到這裡我在想,如果人類再繼續逼死其他生物、再不斷砍伐山林,我們的結果會否跟這種取得「勝利」的份子一樣?

當這種份子數量大量降低以後,其他份子就有機會出頭了。於是戰爭又再繼續。有些份子演化出保護自己的外殼,可能是類似細胞膜的東西;也有一些演化出破壞這些外殼的方法;有一些更可能演化出殺死外殼裡頭的份子,取而代之的獵食方式。

這場演化戰爭一直發展下去,直到DNA終於演化出來,成功打敗了採取其他生存戰略的份子,並且發展出許多利用不同環境、不同獵食方法的分支。為甚麼我會知道DNA是唯一的大贏家?因為在地球上所發現的生命,包括所有動植物、原生生物、原核生物及真菌,體內的都是DNA。

當然,我們也可以假設DNA是比較近期才演化出來,然後收拾掉一切非DNA的生物。只是,這個假設比較不可能發生,原因是地球上的生命形式實在是太多了,DNA要如何在「近期」的短時間內從空中、陸上、水中以至深海的物種間進行種族大清洗呢?

不管是哪一物種,要生存、繁殖都必須要有充足的能量供應。否則能夠生存卻不夠養份繁殖、能夠繁殖下一代卻不夠養份生存,就是得個桔。地球是我們唯一知道的有生命存在的行星,它提供了生命所需的一切:空間供給居住、大氣層供應氧氣及二氧化碳、抵擋紫外線、磁場阻隔太陽風及宇宙射線,還有大海、土地為生物儲存養份等等。當然,地球上生物的大部份能量來源是太陽光,只有少部份來自地熱。所以,行星是生命能夠演化傳承的舞台。

但是,生命並非生存在一個一成不變的舞台上。自然環境孕育生命,生命同時也塑造大自然。

在遠古時代,地球是沒有這麼多氧氣的。活在地球上的生命,大多都是厭氧生物。牠們不喜歡氧氣,因為氧氣對牠們來說是劇毒。由於地殼不穩,大量的二氧化碳隨著火山爆發被噴入大氣之中。年月累積下來,地球的二氧化碳含量就愈來愈高。

可是這樣一來就有利於靠二氧化碳與陽光進行光合作用的生物了!這些生物會愈來愈多,因此愈來愈大量的二氧化碳會被吸走,取而代之的是氧氣。於是那些原本雄霸一方的厭氧生物,就只好往海底下去找安身之所了。現在,我們可以在海底的火山口附近發現許多厭氧的微生物,相信就是這些古厭氧生物的後代了。

植物演化出來之後,依賴氧氣的動物也在某個時候演化出來,兩者就一直合力維持地球大氣中化學成份的平衡。當其中一方數量過多,就會放出過多不利於自己、但有利於對方生存的氣體,於是大自然就會發揮一個天然的負反饋作用 (negative feedback),令兩者數量比例再次回復平衡。

所以,地球本身其實亦是積極參與生命演化的一份子。根據林超英先生的講法,地球本身就是一個生命啊!

演化:生命的延續

演化是物種之間互相轉變的方法,也是生命由簡單趨向複雜的方法,更是生命得以在地球上傳承至今的不二法門。在今天,除了演化論,根本沒有另一個可以同樣成功解釋生物界多元化且展現物種間環環相扣的現象的科學理論。

達爾文 (Charles Darwin) 於一八五九年出版《物種起源》(On The Origin of Species) ,提出物種會演化的理論,至今已經超過一百五十年了。在這百多年之間,很多人出版過《物種起源》不同的版本,有一些更加入了出版者本身的意見;亦有很多人寫書、文章去評論這個理論;也有人寫書說別人的書如何誤解了演化論的意義,之後對方就再寫書說那些人寫書說他們寫的書如何誤解了他們沒有誤解演化論的意義……總之就是在科學界引起了軒然大波,尤其在百多年前,科學界仍然將生命起源留給上帝的時代。

在這篇文章中,我不準備討論演化論有甚麼意義、對科學和宗教又有甚麼影響等等。這些也許我會在以後再討論。現在我只把它當成一個普通的科學理論看待 (它根本就是一個普通的科學理論嘛,演化論與相對論沒甚麼分別,而且相當容易理解),嘗試為讀者解釋演化論的內容。這可以說是我讀完《物種起源》與其他演化論書藉後的分析,也可以說是一個物理及天文專業自學生物演化的讀書報告。

第一步:突變 (Mutation)

不管是由甚麼原因引起,突變是指生物的某些基因 (genes) 突然發生變異。變異可以是以任何方式改變了本身基因的排列,例如基因互換位置。這些變異可以是對該生物外在的表徵,或是內在的改變,又或者可以是完全沒有任何改變。但只要這些變異會造成任何可觀察的影響,這些影響就會改變這個體在環境中的適應力,大自然就會自動判斷對這個變異是「好」還是「不好」。

至於基因是指DNA的不同段落,可以把它們想像成電腦指令,雖然不太精確。有些人會形容DNA像是生命的藍圖,可是我認為這個比喻很容易令人誤解。你可以從一張藍圖看出所要建造的東西的所有細節,但你不可能只看DNA就知道這個體的所有細節。就好比你不可能只看一個電腦程式的source code就了解整個程式如何運作吧。比較精確的比喻是DNA就好像菜譜,它記載了你需要甚麼材料、材料的份量、何時該加熱等。菜譜本身包含了這個菜式的一切資訊,可是若不把它煮出來就永遠無法知道它的味道。生命也是一樣。

第二步:適者生存 (Struggle for existence)

生物因為體內的基因發生突變,導致一些外在或內在的改變。一開始可能這些改變並不明顯,對該生物的生存及繁殖沒有太大的影響,因此得以傳遞到下一代。經過世代傳遞,這些改變就會愈積愈多,最終所有這些改變的共同效應會影響這物種第N代的生存機會。如果其影響是減低了該物種對生存、繁殖的競爭力的話,這種變異體就會很快消失,因為牠們的後代數目將會快速減少;反之,若此等競爭力等到提昇,該物種的後代數目就會不斷上升。

第三步:自然汰擇 (Natural selection)

我認為這是整個演化理論裡最易理解的一步,但同時也是最多人誤解的一步。就第二步而言,若一個新物種的能夠繁殖愈來愈多的後代,就會成為一個新的物種了。但其實最關鍵的我早在文章起始就說了,就是生命與地球本身的關係;兩者是密不可分的。

當然,若一個物種能夠擁有愈來愈多的後代,就會有更多的機會成功留傳下來。但重要的是,這個機會是一個變數。因為,我們還未考慮自然環境是會跟隨生命而改變的。

自然汰擇的作用,就是大自然環境會促使地方範圍內的各個物種的個體互相競爭。在一個天然資源有限的前提下,多,並不代表一定好。如果該新物種在十幾代的時間內數目快速上升,這就打破了該地方範圍內的生態平衡。這時各種資源都相對變得稀少,稀少的資源又會改變該地方範圍內物種與物種間的比例。物種比例不同了,需要的資源比例也跟著改變,然後物種比例又再改變,之後資源比例又再改變……直到最後達到一個平衡,一個新的平衡。這個平衡就是這個地方範圍內,自然環境與生命之間的微妙制衡。能夠在這個新的生態平衡系統內生存下來的,可能是舊的物種,也可能是新的物種,更有可能雙方都存活下來,繼續繁衍開去。

這就是我所理解的自然汰擇。可能我的理解也有誤,但我相信這是現代演化論的一個合理模型。寫到這裡,回想一下,物種演化與前頭討論的份子演化,過程都是一樣的:在平衡之中發生突變、變異體大量繁殖、平衡被破壞,而最終達到一個新的平衡。我相信,這就是生命演化的一個基本定理:生命演化就是要達到新的平衡,而整個地球的生態平衡是不斷變動的。套句林超英先生的話,「天」、「人」以及所有生命,都是「合一」的。生命的循環其實是跟整個地球連在一起的,如果人類繼續破壞地球的生態平衡,作為地球的一份子,我們最終必定要自食其果。

人類之所以能夠成為地球的霸主,其因之一是我們的祖先懂得適應自然,對自然資源善加利用。現在科學界普遍認為我們的祖先是一種類人猿,人類與黑猩猩 (Chimpanzee) 的關係最近。牠們與其他猿猴一樣,生活在森林中的樹上,以花果為食物。在數百萬年前,因為地球氣候出現變化,溫度下降,令森林的範圍大大縮小。為了生存,猿猴們紛紛演化出不同的生存策略,增強體型以提高爭奪食物及領域的機會。而爭輸了的一群,就是人類的祖先!

那群在適應森林縮小的生存演化中戰敗的猴子們,只好從樹上往地上遷移,搬家到草原附近的山洞裡居住。從前在樹上居住的時候,牠們可以在樹上採花果,現在則要找尋其他東西食物作食物。另外,身處一望無際的草原,亦使牠們曝露於危險之中。為了生存,牠們的基因採取了新的生存策略:由以四肢在林中攀爬變成以兩足步行;為了能夠對更遠的距離內的獵食者作出警覺,腰部變得愈來愈挺直;為了能夠獵取更大的獵物,以及防止大型獵食動物的襲擊,演化出「合作狩獵」這一策略,並學會了使用工具。

而由猿猴真正演化為人的最關鍵一步,有的說是學會生火、有的說是使用語言、有的則說是直立行走。火,使得本來不能吃的食物變得能吃,因此可供選擇的食物種類就大大地增加,食物問題就得以解決;而且牠們會用火來防衛獵食者,因為野生動物都害怕火光,所以本來因為年老體力下降、容易死於其他動物的利爪之下的人,就可以活得更久。使用語言、直立行走使得大腦不斷變大以處理更多資訊。加上語言可以使長者日積月累的經驗總結出來的智慧得以直接傳遞給下一代,不需要像其他生物般從頭開始。最後,日益提昇的生活質素就加速推動了人類演化的發展,最終演化出社會、農業、文化、科學等等。

人類一直演化至今千百萬年來,都是使用同一個智慧:適應自然。這就是苞丁的智慧。然而,在最近的一百年多以來,人類改變了這個模式:我們愈來愈不再去適應,而是要求自然中的一切去適應我們。「族庖」解牛,以刀砍劈骨頭,必須「月更刀」;「良庖」解牛,用刀切割牛的筋肉時,能避開骨頭,需要「歲更刀」;而苞丁可以「十九年未更刀」,就是因為他順著牛體的自然肌理下刀。地球上所有的生命都證明了,順著自然,是成功的生存策略。至於要自然順著人類的喜好被隨意改造,是否也是成功的生存策略,我不知道。但我想,看到現在地球的森林快速消失引起的沙漠化現象、大氣層中的二氧化碳濃度由以往幾萬年間的界於180ppm到280ppm升到今天的380ppm所引起的全球暖化等等反常現象,就是一個很好的證據,沒有考慮後果而強行改變自然是很危險的一件事。

幾十年來,科學家一直為此做了非常詳盡的研究,現在我們幾乎可以肯定全球暖化現象和人類活動有關。就算不是全然有關,人類活動的影響也必定佔不少的比例。可惜,觀乎世上各泱泱大國,似乎對此充耳不聞。他們聲稱關心地球,卻要求100%的肯定,才會相信暖化的真相。但這是一個關乎人類命運的危機,就算只有10%的肯定,也應該預定一個最壞打算的計劃吧?或許,年前PIXAR的電影WALL-E裡面,人類放棄地球移居太空船,會是將來一個選擇 (或是沒有選擇?) 吧。

有云:「Hope for the best, prepare for the worse.」看來,人類演化至今,只是hope for the best,卻沒有prepare for the worse。

地球生命的演化史,將會如何走下去呢?

延申閱讀:

Charles Darwin, 1859, On The Origin of Species

Richard Dawkins 1976, The Selfish Gene

Richard Dawkins 1982, The Extended Phenotype

Richard Dawkins 1986, The Blind Watchmaker

Richard Dawkins 1996, Climbing Mount Improbable

Richard Dawkins 2004, The Ancestor’s Tale

Carl Sagan 1985, Cosmos

林超英 2010, 《天地變何處安心》

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3 thoughts on “行星.生命.演化

  1. 因為我們已經是地球上的生物了,
    所以我們會認為生命需要陽光,空氣,水,
    我們地球人大多不相信木星裡面會有木星人,
    假設今天有木星人,
    木星人也會認為自己的星球是最適合生命生存的,
    以木星人的角度來看,
    地球根本不可能有生命存在,

    我認為進話是以突變的形式在發生,
    例如我們可以找到短頸鹿與長頸鹿的化石,
    可是我們找不到中頸鹿的化石,
    我們能夠找到猿人與直立人的化石,
    但是我們找不到半直立人的化石,
    您上面那張人類進化過程的連續圖只是生物學家假想出來的。

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