生命與人: 光感應系統的演變與統合（上）

只要稍微讀過聖經中的讀者都知道，從耶穌開始，耶和華的形象就與光密不可分，即使到了文藝復興時期，光與影依舊是歐洲基督教徒最有興趣觀察的自然現象。

只是，就如同約翰褔音書所說的，「光照在黑暗裡，黑暗卻不接受光」—— 生命還是得先懂得捕捉光子，才能告別黑暗、見識來自太陽的光明。

對生命史的讀者而言，一個很自然的問題會是 「 生命究竟是從何時開始懂得捕捉光子？」

如果我們從現有的生命形式來追尋答案的話，現有的細菌告訴我們，有些細菌是可以「見」到光子的。

這意味著光很早進入生命的演化史中，生命可能很早就演化出捕捉光子的「接受器」（receptor），而所謂的「感光色素」(photopigment) 其實就是最早被生命體合成出的蛋白質分子。

進一步推想，生命本身在適應不同的光環境時，也可能演變出不同形式的感光色素，甚至演化出不同的特定感光細胞，以達成不同的生命任務。

那麼，最早的感光細胞的生命任務又是什麼呢？

如果要從現存的生命現象找線索的話，衣藻屬生物（又稱單衣藻）的眼點中所含的感光色素與脊椎動物的視紫質相似的現象似乎又指引了我們進行更進一步的推理。

身為脊椎動物的我們自然不難理解視紫質重要性。一般來說，我們可以在黑暗中能看到光點，憑藉的正是存在於（視網膜中）桿狀細胞的視紫質。如果人體沒有辦法合成視紫質，我們在黑暗中將真正伸手不見五指。

單衣藻的生命形式雖然簡單，但其眼點執行的功能其實與視紫質相差不遠，主要就是偵測藍紫光的來源，並且藉由短期的記憶功能，引領運動方向。

就如同基督徒所相信的，光，在生命的演化史上，確實扮演著重要角色，只是其影響生命的方式並非古代基督教教士所能想像。

另一方面，感光色素的發現其實也延伸出重要的科學議題：既然不同的感光色素善於捕捉不同波長的光子，這是否意味著不同的生命所「看到」的「光」其實也不相同？

這個問題的答案自然是肯定的，每種生物的「可見光」與「不可見光」必然是隨感光色素的不同而變的，不過，生命學家更感興趣的問題自然還是：「光到底如何影響生命的運作與演變？」

這是一個很大的問題，不過既然植物界擁有獨門的「光合作用」功夫能將光的能量轉化成有機分子的形式儲存起來，試著了解一下光是如何影響植物的生理作用，並將其對照動物與光的反應，其實也可以了解生命的光感應系統是如何慢慢發展出來的。

那麼，到底植物有沒有「視覺」呢？

由於植物沒有像動物一樣，演化出具有統合並且互相影響的神經系統，因此，植物應該是沒有像動物一般可以描繪圖像的視覺能力。但是，從植物的向光性，我們可以很明確知道植物確實可以看見某些光，並且根據其偵測到的光，調整自身的生理行為。

不過，就像人會因為各種原因而看不見，植物也會因為病變而看不見嗎？ 看不見的植物會發生什麼狀況？ 這些看似簡單的問題，其實開啟了對植物的光生理研究，而參與解謎的科學家雖多，但真正的主角應該屬於廣生於歐亞大陸上的一種不起眼的小型開花植物：擬南芥（又稱阿拉伯芥）。

誠如許多對生命史有興趣的讀者所熟知的，孟德爾之所以能夠發現最早的遺傳定律與其明智地選擇了碗豆作為研究對象有關，雖然孟氏生前默默無名，但是當越來越多科學家理解並想要進一步探索各種與遺傳有關的生理現象時，科學人也開始找尋豌豆以外的「模式植物」，以期找出明確俐落的遺傳生理法則，而在歐亞大陸上隨手可得的擬南芥就因為其基因組較小，突變表現易於觀察而獲得了植物科學家的青睞。

不僅如此，從二十世紀初開始，植物科學家也逐漸找到誘發擬南芥的種子突變的方式，在這種情況下，比較多種不同突變型的種子發育為植株的狀況，包括光反應的機制成為可能。

另外，植物學家也參考物理學的研究，了解不同的光波長有不同的能量特性，因此，研究人員也要同時比較不同突變種的種子對不同的光的反應是什麼，才能初步了解擬南芥是如何對光反應的。

這種研究自然需要非常細心的觀察與實驗設計才能有所得，而研究人員也在這基礎上對擬南芥進行了大量研究，並從中發現了許多相關的光生理現象—— 小小的擬南芥被發現共有十一種不同的光受體，有的負責決定何時萌發、有的決定何時向光彎曲、有的決定何時開花、有的決定何時啟動夜間模式、有的幫助植物辨識光的強弱，還有的可以幫助植物定時。

總之，從擬南芥的光反應，我們可以知道其分工算是相當明確，所以研究人員可以很明確的敘述出在基因突變導致其失明後，如何引發後續生理功能的失常。

這種研究模式其實與早期歐洲醫生理解大腦功能的研究方式相似，其推理最主要依據的是藉由腦傷的部位來推斷不同區域的腦功能。只不過，人類的大腦分工要比擬南芥的光受體複雜得多，人類的許多行為也比擬南芥的光反應更加難以觀察，因此大腦的生理反應也更難論斷。

然而，擬南芥的故事還是可以給我們許多重要的啟發：

第一，在生命科學的新領域中 ，慎選一種好的模式，加以徹底研究是有必要的。一開始就選擇複雜的研究對象，可能會一直找不出最重要的基本規律。

第二，在一個多細胞的生命體中，分工是必要的，但植物與動物中光感應系統的分工方式卻大異其趣。植物的光感應系統似乎一直維持相對明確的分工，但動物的光感應系統卻是不斷在分工與統合中不斷形成更複雜的內部結構以適應變動較大的外部環境。

這種區隔其實也有點像社會科學中「小政府」和「大政府」的區別，必須要依其生存方式和生存環境才能論其適應性。畢竟，沒有人能否認擬南芥的適應性，甚至我們可以猜想，如果有一天，人類因為彼此過度勾心鬥角而使地球生態變得不適人居，小小的擬南芥反而會把握機會遍地開花呢！

第三，從診斷的角度言，擬南芥的光感應系統雖不複雜，但是分工明確，所以診斷者很容易判斷是哪個基因突變才造成了問題。從社會科學的角度看，這也頗有值得主張小政府的社會科學家參考。畢竟，大而無當的政府固然令人民頭痛，小政府的好處也要有好的設計才能表現出來啊！

推薦參考讀物：

植物知道生命的答案(What a plant knows) 作者：丹尼爾查莫維茲（Daniel Chamovitz)