「生命科學概論」開場白

「生命科學概論」當然就是要很科學的來談「生命」是怎麼一回事，談有「生命」的東西是怎麼運作的。但是要很科學的來談「生命」之前，我們得先理清楚：「生命」是什麼？我們總得先界定清楚要談的那個東西的範圍到哪裡，這樣我們才有個具體且明確的討論對象。

生命的英文是「Life」。我記得民國75年我唸大學的時候，大一上學期的普通生物學期末考就只考一題，「What is Life？ 」，生命是什麼？問答題，open book。open book有很多種形式，比如說有的open book會規定說可以參考任何書籍，但是不能彼此討論；有的open book不只可以參考書籍還可以互相討論，甚至call out問別人都沒有關係，那這是一種更開放的open book。那時候我們老師規定得更鬆、更有趣，你就帶回家寫，你也不用在教室裡面考，帶回家給你三天的時間，愛怎麼討論、要查什麼資料、要問誰都可以；就三天的時間，你把這個題目的答案交出來，把What is Life寫清楚交出來。

當然這道考題是一個非常大的課題，即便今天問任何一個唸生物的人「What is Life？」會得到的答案一定都有些不同，因為「life（生命）」這個字義其實很複雜。認真說起來我不太喜歡「Life Science（生命科學）」這個名詞，雖然現在普遍都使用這個，但實際上我比較喜歡的名詞是Biology，單純俐落的Biology，就生物學。因為「生命」有很多種層次，可以很純粹只談生物體的結構與功能的部分，這個生物體長什麼樣子、這個樣子能做什麼事情，那些的，基本上就是Biology，生物學，談的就是很純粹的科學內容。但是Life，談「生命的意義」算不算在談Life？討論有沒有靈魂的存在算不算在談Life？認真講，Life含有這些層面。因此為了讓我們的討論能夠比較客觀，所以我們就只談那些客觀上比較能談的事情，就是Life裡面有關於Biology的部分，單純的談生物體結構跟功能之間關係的對應，用已知的化學或物理原則來解釋。

不過即便限縮了討論的對象，我們還是會遇到類似的問題，什麼叫做「生物（organism）」？要談生物學的課題之前總要先界定一下哪些是要談的對象、哪些不是。就像各位坐在椅子上，「椅子」是不是生物學要研究的對象呢？它是不是活的東西？當然不是啊！一看就不是。但如果我問你它為什麼不是？如果你的坐的椅子是木頭做的，那它跟你現在看到外面那棵樹的木頭又有什麼不同？你應該會說那棵樹是活的、椅子是死的；但為什麼那棵樹是活的呢？為什麼你坐的這把椅子是死的？「活」跟「死」，或說「活」跟「不是活的」，因為搞不好它從來沒有活過，所以也沒有所謂的死，反正就是這兩個相對含意的字義的分野在哪裡？也就是說，當我今天想要研究生物，我有辦法先說清楚說所要研究的是什麼東西嗎？什麼樣的東西才叫生物？ 什麼樣的東西叫無生物？在談生物學之前我們得要先談談這件事情，不然怎麼知道將來要花時間去研究的東西是什麼。

好，那我們要怎麼定義「生物」這個詞？這其實是一個非常困難的事情。因為「活」跟「不是活的」是很主觀而且很直覺的概念，一看這椅子就死的啊、地板、牆壁也都不是活的，但是外面的樹就是活的、在那邊跳上跳下的貓啊狗啊也是活的，好像也不需要特別給個定義就自然能夠判斷，而且幾乎每個人的判斷都一致。但是如果對象是只能透過顯微鏡才看得到的細菌跟病毒呢？那麼每個人的直覺可就會有不少差異了。所以如果我們要讓生物學成為一種客觀的學問，讓每個人都可以在具有共識的基礎上去討論，那我們還是要嘗試從這些很直覺、很主觀的判斷中去找出某些共通的原則。

其實不只是在生物學，將來你會遇到各式各樣的課題，比如說將來你當了某一黨的黨主席，要操盤黨內各種層級的選舉，那選民的投票行為要怎麼判斷？立法委員的投票、縣市長的投票、議員的投票，這些投票行為你要怎麼去預測？基本上也是要先想辦法抓出決定投票行為的一些共通原則，這樣才有可以著力分析的對象。我們很難對一個抽象空泛的東西去努力，因為不曉得要從哪一個實際的方向著手，我們得把空泛抽象的東西抓出它們很具體的部分，這樣才有辦法從那個很具體的部份下功夫。

就像說我要研究活的東西，那什麼叫「活的」呢？我能不能把活的這件事情分析出一些比較具體的內涵，這樣在研究活這件事情，就可以從這些具體的面向去看。各位如果對你的國、高中生物學還有一些印象的話，那什麼是「活」？課本會說如果那坨你要研究的東西有生長、繁殖、代謝以及感應的現象，那它應該就是活的。也就是說，「活」這件事情我們可以很具體地從這幾個方面來看：是不是具有「生長」的現象？是不是具有「代謝」的現象？是不是具有「繁殖」的現象？是不是會「感應」？如果都有，都要有喔，不是四個裡面只有一個、兩個就可以，都要有，如果都有我們就認為這是一個活的東西、一個可以稱作「生物」的東西。

如果這四個裡面有一個不符合，基本上我們會認為說那就不是活的。不過如果四個裡面中三個，那說它不是活的好像又怪怪的？畢竟這些原則是從主觀的直覺中歸納出來的，既然主觀，就可能有不完備之處。例如，這四項之間有沒有誰比較重要的排行？「繁殖」有沒有比「感應」重要？好像有，但又很難說清楚。因此我們常常會用一種曖昧的、模糊的說法：「介於生命跟無生命之間」；表面上看起來好像有，但實際上又不是那麼一回事，比如說病毒，virus，就是一種被認為是介於有生命跟無生命之間的東西；又例如各位可能有聽過的狂牛病，狂牛病的病原體是一種叫prion的東西，這種prion表象上好像是活的，但實際上又不是符合我們的四項標準，所以好像也是一種有活跟沒活之間的物質。

這是我們在生物學研究上的困境。雖然給了定義，但這個定義是不是能夠全部涵蓋我們要探討的對象？這個問號就是我們的困境。我們常常說生物學充滿了特例，不過我們也不能說因為充滿了特例，所以就沒有辦法研究通則。所以各位可以發覺說，生物學上我們需要定義，但是這個定義常常沒辦法涵蓋所有的現象，不過這已經是我們盡可能在涵蓋大多數現象所能夠下的定義，剩下的那些涵蓋不到的，那就算了，就用特例的方式做個別性的討論吧。這是生物學跟物理、化學比較不一樣的地方。因為活的東西千奇百怪，光動物和植物這兩種就天差地遠，更不用說那種肉眼根本還看不見的細菌，那也是活的，所以在這麼多結構與功能都充滿差異的狀況下要找到包山包海的定義還真的是很難。

除了定義怎麼下有困難之外，還有另外一個問題。那就是我用了這四個項目來概括，雖然這些項目的名稱看起來很具體，但是如果仔細推敲，還是不那麼具體。例如說「生長」，那什麼叫生長？要怎麼去定義生長？今天如果要看一棵樹有沒有生長，那要怎麼看？也許你會說，不難啊，生長很具體嘛！「生長」就是有東西多出來嘛，那有東西多出來，如果不是體積，就看質量，如果體積或質量變多，就可以說有生長。

乍聽之下合理，但如果仔細一想，如果生長是這樣子看的話，那就麻煩囉！那我們就可以說很多人現在都已經處於無生命的狀態。為什麼呢？因為如果說生長是質量或體積變多，啊你覺得最近太胖要減肥，所以很努力的減肥，因此相對於上個月，你的體積跟質量不僅沒有增加反而減少，那依剛剛說的生長的定義，那你就不符合了，所以如果你在減肥，成功了那你就算死了，因為你的體積跟質量不僅沒有增加還減少，那這樣你就沒有生長，沒有生長那不就死了。這顯然跟我們的直覺不符嘛！所以我們在下定義的時候，特別是一些概念上你覺得好像理所當然，口語講一講大家好像都能夠理解的定義，要把它拿到科學上當作判斷的基準時，就要非常小心，必須仔細思考適用範圍以及可操作的量測方式。

所以像剛剛那種情況要怎麼解決？一個正在減肥的人到底有沒有生長？如果有，那生長的內涵要怎麼討論？不要說減肥，看看家裡的長輩，年紀比較大的，搞不好連身高都有點縮短，不僅變瘦，連外表的樣子都跟年輕時有很大幅度的變化，那這些狀況要怎麼去談生長的定義？這時候你可能要有所調整。

不同的科學家可能有不同的調整方式。科學研究中，當然有些名詞有很一致的定義，比如說質量，或是一公尺有多長，因為都是很基礎的物理量，所以會有很嚴格的定義。但除了一些很基礎的性質我們有嚴格的定義，實際上有很多名詞，比如說像「生長」這樣的名詞，就不一定有放諸四海皆準的定義，常常會因為討論的對象不同，而對這個名詞的內涵做某些調整。所以不能光以直覺來理解某些名詞，在科學上必須要去看關於它的定義敘述，這是各位以後在接觸各種科學文獻時要注意的。除非說那是一個很共通的性質，而且大家都很有共識、已經下了普遍都可接受的定義了，不然科學名詞的使用有可能隨著使用者關注的對象不同，在內涵上有些調整。

就像「生長」，如果我們重新思考，若考慮到祖父母的狀況、考慮到正在減肥的狀況，那要怎麼下定義？也許我們就要調整說，所謂的「生長」指的是：如果他的外表有持續性的改變，那我們就可以說他正處於生長的壯況。那你可能會說，我都沒有變啊！我去年這個身高、今年也是這個身高，去年這個體重、今年也是這個體重，而且今年的皮膚跟去年看起來好像差不多一樣好。不過那是你覺得一樣，或許巨觀上一樣，但搞不好的你的身高還是增減了0.001公分、你的皮膚還是比平常多皺了那麼一點點，只是你肉眼看不出來而已。所以這個時候問題就不在「改變」這個詞適不適當，而是巨觀跟微觀、還有我的量測工具的極限到哪裡，是一個可以討論也可以有結論的問題。

在那樣的定義中還有一個可能有爭議狀態描述叫「持續性」，認真來說，「持續」應該是每分每秒鐘都不間斷，但是我們不可能做到這種量測，不可能真的每分每秒都有量測、甚至每百分之一秒都在量測。雖然「持續」代表中間沒有任何間斷，但如果我每隔一天、每隔兩天、每隔一個禮拜、每隔一個月量測一次，如果他的外表都有變化，那說是有「持續性」的改變，應該還是說得過去的。

不管是要用巨觀或微觀的量測，或是量測的取樣頻率要怎麼設定，這些都是在定義之後必須要面對的執行問題。當然這樣的定義一定又會遇到其它質疑，例如：外表只有皮膚嗎？如果只有內在改變，像是心臟、胃、腸，這些內在器官的改變算不算？如果你要規避這個質疑，那定義就不要寫說外表的改變，可以籠統些地說：個體的組成只要某部分有變化，我們就稱他有生長的現象。但是一但你這樣說了，那麼如何執行量測就又變成一個頭痛的問題，因為我們現有的量測工具，即便是以侵入式的檢測作法，也無法對於身體內部的組織器官進行鉅細彌遺的量測。

所以在生物學裡面，真的要下一個好的定義，其實是很困難的。就像「繁殖」，「繁殖」的定義可能比「生長」更麻煩。爸媽生你是一種繁殖，貓啊狗啊生小貓小狗也是繁殖，這沒有任何爭議。但「繁殖」意味著什麼？你是你爸媽繁殖出來的，但是你跟你爸媽有多像？一定沒有百分之百的像，或許很像但一定不會完全一樣。而那個繁殖的方式是爸爸提供精子、媽媽提供卵子，精卵結合產生你，你是從一個受精卵慢慢增加成現在多細胞的樣態。但一隻細菌呢？細菌用分裂生殖，一分為二，如果過程沒有突變，那基本上形成的兩隻細菌是完全一樣的。這兩種都是繁殖，沒有任何爭議，但如果要談「繁殖」的定義，一般可能會說就是親代產生子代的過程，那我就要問了：一隻細菌一分為二，哪一隻是親代？哪一隻是子代？基本上我們可以說沒有，因為兩隻都處於一樣的位階。

因此各位在讀生物學的時候要有個心理準備，常常我們所用的定義在實際上不是那麼無懈可擊，會有很多漏洞，所以在生物學裡面常常要忍受很多特例。因為我們用來描述定義的名詞，通常沒有辦法涵蓋生物那麼多樣化的狀況，所以只能以大部分是哪些，就先採用它來應付，那其它的就用特例來討論；如果特例太多，那乾脆就分門別類各自給個次定義來描述。像「繁殖」，就乾脆分成「有性生殖」跟「無性生殖」來討論，分別給它們定義。

好，即便那四項標準的定義都搞定了，其實還有一個更複雜的問題埋在裡面。因為代謝、繁殖、生長、感應這四項如果想的更深入，實際上這四項並沒有那麽截然的不同；如果以數學的術語來說，這四項並非獨立變數，兩兩變數之間有些相依的關係。就像說「代謝」，代謝的意思是，如果一個東西是活的，一定會從外界攝取東西進來體內，然後把這些外來的東西轉化成為自己的組成結構或是使用的能源；也有可能把原本自己體內的東西轉化，變成另一種體內組成，甚至轉化成要丟出去體外的廢棄物，好從過程中獲取能量；這些轉化的化學反應過程，我們就稱為「代謝」。如果以這個代謝的定義來看，那代謝跟生長能夠切開來看嗎？生長如果是外表組成有改變，那外表組成怎麼改變？一定要有新的成分產生或者是舊的成分被分解。例如變胖，啊就有脂肪產生，但問題是，你說都沒有吃油啊，每天都沒有吃油，都只是吃飯而已，那怎麼會長出油來呢？當然這時候身體的油一定是跟飯在身體裡的代謝有關，所以基本上是「代謝」導致「生長」被看見，所以「代謝」算是「生長」的原因，所以這兩項之間存有關係，而且很密切。

那是不是我們乾脆就把「生長」這一項拿掉好了？就是說，剩三項就好，代謝、繁殖、感應，這好像也可以。但是，我們下一個定義，除了嚴謹之外，實際上各位還要考慮一個現實，那就是「量測」。「量測」是很重要的，今天下了一個定義，如果這個定義很難藉由量測去確認，那它還是一個沒有實質價值的定義。就像說，要看一個人有沒有代謝實際上並不容易，假設說我現在都不吃東西，然後我又憋氣兩分鐘，也都沒有放屁或排泄排遺，所以在這兩分鐘裡面完全沒有氣體進出也沒有物質進出，那你說我有沒有代謝？當然，在體內一定有很多化學反應還在進行，但因為很難量測，所以你就很難論證。也就是說，「代謝」在量測上比較困難，但「生長」比較容易量測、也比較直覺可感，所以保留它，可以讓我們在理解與「生長」有關的這部分之代謝活動，有比較方便的指標。

因此我們在下定義的時候，需要考慮的層面很多樣化，有時候是因為量測的方便性。為什麼我們要把生長拉出來看，因為生長很容易看得到，就外表不斷的變化。一些死的東西，像是一張這個桌子把它擺在這邊，十年之後，上面積了很多灰塵，你把灰塵擦一擦，就還是那個桌子。如果環境乾燥不發霉又沒有被蟲咬，塗漆塗得好所以表面不褪色。那它的外表沒改變，所以就直接判定沒生長。這就比檢查有沒有代謝方便得多了。也就是說，在理論上雖然完全可以用代謝來取代生長的定義，但是你完全要用代謝取代生長就得面對量測上的不便。所以定義有時得隨著我們的操作方便性、隨著我們所能夠掌握的工具，而調整它的層級，非得每樣都得化約到最根本的因素上去談。

所以順著這樣的思考方向，那「感應」也是一樣。感應是說生物體可以偵測外界的刺激，然後在體內產生相對應的變化。所以說起來，感應的過程還是一連串的代謝反應，還是牽扯到體內一些物質的變化。看得到東西是種感應，但你說光照我的時候，我就杵在那邊，不吃不喝不吸不拉，沒有物質進出，代謝什麽？但如果我們很細緻的看，實際上有沒有東西進入到你身體的某些細胞裡面？還是有啊，有一些細胞外的鈉離子進去細胞裡面、也有一些鉀離子跑到細胞外面，然後細胞裡面有很多化學反應啪啦啪啦的在進行，如果以後各位學到神經生理，就會讀到這些過程。還是一樣，如果微觀來看，那是一連串的代謝過程，所以「感應」是不是就略掉算了？反正用代謝就可以解決。但是這樣事情就會變得很麻煩，如果開始簡化，那要整合哪些代謝反應來看，才能代表「感應」？

這就是我們前兩段說的在下定義的時候，需要考慮的層面很多樣化。不光只是量測的問題，我們想彰顯的特徵是什麽，也是需要考慮的層面。如果一根試管裡面不斷地被加東西進去，裡面一直在進行化學反應，不斷地放熱、放二氧化碳，那這根試管有代謝啊！但那些代謝的結果有目的性嗎？或許有，但跟我們直覺中那種生命的樣子不一樣，所以我們就很難光靠有很多代謝反應就下判斷。同樣的「繁殖」也是，不管是一隻細菌變成兩隻，或者是你爸媽用精子卵子產下你，然後受精卵啪啦啪啦長大長大成你這個樣子，你都可以想見一定是一連串、一連串、一連串的代謝反應不斷地進行。但是如果只談說用代謝來概括繁殖，那又很怪啊！如果把剛剛所有啪啦啪啦的代謝反應全部裝在同一根試管內發生，那這樣就叫做「繁殖」嗎？

所以「生長」、「繁殖」跟「感應」雖然都是以代謝為基礎，但是可以很明確的代表一堆代謝反應協同發生之後應該要造成的結果，而且這個結果容易描述也容易量測，在實行上簡單而且聚焦。

但多了「生長」、「繁殖」跟「感應」只是權宜的措施，所有生命現象的討論基礎就是「代謝」。具體的說，就是在活的東西裡面有各式各樣的化學反應在進行，所以從這個角度來看，還是可以把一個生物體想像成一根大試管，這根試管裡面有各式各樣的化學反應，如果要談生長怎麼進行、感應怎麼進行、繁殖怎麼進行，基本上就是要談這些現象跟哪些化學反應有關係。所以這也變成大家對生物學的印象，如果要談生物體的運作，就等同於在談各式各樣的化學反應怎麼組合，所以在我們接下來的課程裡，基本上跟各位談的就是這個核心：如果把生命當成是一根試管，這跟試管裡面所進行的化學反應，跟一般實驗室內的試管中進行的化學反應，有沒有什麼比較特別的地方？它進行的方式、對原料的需求、對能量的需求，有沒有跟一般的化學反應比較不一樣的地方？或者不要說不一樣，不一樣好像是它自己有一套，應該是說在我們所認識的化學反應裡面，生命所用的化學反應，是不是有偏好某幾種、常用某幾種？這就是我們接下來課程中要討論的事情。