閱讀 | 我們身體裡的生命演化史 - 人類與海鞘的距離

本書中文版譯名看起來不怎麼吸引人，大概就跟國立自然歷史博物館的說明告示牌一樣無趣吧? 閱讀前的我這麼想著。趁著 Hami 特價99元購入，倒也不是什麼會心痛的大錢。結果，我錯了，這是本讓人欲罷不能的科普書。作者尼爾蘇賓 (Neil Shubin) 無疑是科普書作者中說故事的佼佼者。我為了整理書中的豐富資訊，還動用了心智圖，鮮少有書籍能夠獲得如此待遇!

蘇賓是芝加哥大學有機生物與結構學系的講座教授，也是美國國家科學院院士。他除了是兩本暢銷科普著作的作者，最著名的事蹟是在加拿大北部發現提塔利克魚(Tiktaalik) 化石。這種生於泥盆紀的古老魚類在脊椎動物演化史上佔了重要的地位 － 他是介於魚類和兩生類之間的物種。

提塔利克魚的模擬圖

脊椎動物是如何從無脊椎動物分離出來? 魚類又是如何登陸? 為什麼脊椎動物的胚胎在初期如此相像，後期卻發展成全然不同的物種? 這些謎題自達爾文 1859 年出版<物種起源>後一直困擾者生物學家。爾後的100年，世界各地的古生物學家、生物學家、博物學家、探險家、醫生等受到<物種起源>的啟發，致力尋找生物漫長演化史中的關鍵拼圖，人類才逐漸描繪出整個進化的進程：海鞘變成魚，魚又踏上陸地，而後蛻變成馳騁在草原上的馬、翱翔於天際的鷹，以及目前主宰地球的現代智人，一切聽起來充滿著不可思議。

達爾文沒有說清楚的「功能性改變」

<物種起源> 的發表震驚科學界及羅馬教廷。達爾文提出「天擇說」說明具有某種特徵的物種得以適應環境而生存，但他無法解釋同物種個體間的差異來源，為什麼只有特定物種會發展出功能性結構而得以生存? 其中被達爾文視為最具威脅性的天擇論反對者為聖喬治米瓦特 (St. George J. Mivart) 認為天擇說未能解釋功能性的結構怎麼來的，他認為物種得以生存非單一特徵決定，而是全身性的特徵改變。

<物種起源>初版出版的五年後，持續研究的達爾文提出新的見解反擊米瓦特 "許多人感到困惑的顯然是天擇無法解釋功能性的結構一開始是怎麼出現的。這個題目，與特徵的逐漸改變 (通常伴隨著功能性的改變)關係極為密切。"

好一個「功能性的改變」，米瓦特如啞巴吃黃連，無力再反擊。

但什麼是「功能性的改變」? 那不就表示原來已有的某個生物特徵在逐漸改變的同時功能也一同改變了，剛好誤打誤撞遇上天擇，運氣好讓個體而活下來? 這一切得回到魚類的研究說起。早在 1798年拿破崙征服埃及的隨隊科學家就發現尼羅河有種會水面呼吸的魚，經解剖發現這種魚的食道竟分叉出氣囊，還連結到頭頂的呼吸孔。數十年之後，奧地利探險隊在亞馬遜河流域發現美洲肺魚 -- 一種可同時用腮和類似肺臟的器官呼吸。20世紀初身兼紐約大都會博物館和自然歷史博物館館長迪恩 (Bashford Dean) 比較魚類胚胎，他發現魚膘和肺臟是同源的，都是由腸管長出來，也都會形成氣囊。這不是就在說魚類登陸的呼吸器官「肺臟」早就存在在魚類的身體中，只是在水中這種「類肺臟」，最初是用來調整中性浮力或協助在缺氧的環境呼吸。這種物種的變化沒有牽涉到「新器官」的出現，而是舊有的器官發生轉變，就如同達爾文的回覆：功能性的改變。

羽毛是為了幫助鳥類飛行、肺臟是為了讓魚類在陸地生活而出現，看起來合乎邏輯，實為謬論。事實是鳥類先有了羽毛，後來羽毛幫助飛行；魚類先有了肺臟，然後才能在陸地生活。

胚胎研究、我們與海鞘的距離?

生物演化的過程中，最讓人頭痛的幾個問題不出下列這幾個：單細胞如何變多細胞生物? 無脊椎動物如何變成脊椎動物? 水生動物如何登陸陸地? 在過去分子生物學尚未問世的年代，科學界一直試著不斷透過觀察和歸納尋找演化的蛛絲馬跡。

海鞘，被認為是低等的無脊椎動物之一，我們熟知的藤壺即是海鞘綱的成員。成熟的海鞘只能無趣的附著在石頭或是船底過濾海水進食，但是鮮少人知道海鞘的幼年體長得和脊椎動物非常的相似：一條沿著背部伸展的神經索、下方有承接中軸的柔軟結構(相當於脊椎動物的椎間盤)、頭部有裂腮，脊椎動物祖先的特徵全部都出現在海鞘幼體上，這樣的相似度讓科學家不寒而慄，無脊椎動物和脊椎動物的差距可能不如我們想像的大。

又或許研究胚胎可以讓人更清楚各種不同的動物是如何演化出來的? 早在18世紀末就有科學家提出胚胎內部已具有各種器官，在子宮的時間不過是用來讓器官長大，後來這樣的學說在20世紀初被推翻，科學家發現脊椎動物的胚胎長的異常的相似，將一兩周大的人類胚胎和蠑螈胚胎、魚胚胎混在一起，很難分出是哪個物種，更別說看得出內含在胚胎的器官。

德國的貴族生物學家克⾥斯蒂安潘德爾（Christian Pander）透過觀察雞胚胎，發現胚胎發育中期會分化成三層組織，最外層發展為⽪膚神經系統，中間層變成肌⾁骨骼，最內層則是形成內臟和消化道。這樣子的描述大體上正確，但是胚胎的三層組織細胞不是不會互相在不同的組織層移動，哈佛的⽣物學天才茱莉亞普拉特（Julia B. Platt）發明細胞標記法，發現各層的細胞會移動到其他層，例如牙齒的象牙質是由外層向內移動到中間層而成，但是普拉特身為女性科學家，在20世紀相對保守的年代不被學術界所接受，最後黯然離開她最喜歡的生物學實驗室，然而她的發現卻是脊椎動物有別於非脊椎動物的特別之處。

分子生物學的一小步，是人類了解演化的一大步

由於脊椎動物的胚胎非常類似，科學家認為改變胚胎發展的歷程就可以創造不同⽣物? 要驗證這想法是否正確，仰賴DNA、基因圖譜和分子生物學的研究。

在DNA、基因和遺傳學之間的關係明朗之前，諾貝爾化學獎得主鮑林（Linus Pauling）和祖克康德（Emile Zuckerkandl）率先提出若比較兩生物間蛋白質的的差異越大，則代表他們從共同祖先分道揚鑣的時間越長，藉由計算蛋白質序列的差異可以推測共同祖先的年代，這個「分子生物鐘」的概念過於新穎，受到當時的古生物學界和生物學界恥笑。

20世紀中後期柏克萊大學的艾倫威爾森（Allan Wilson）教授和學⽣瑪莉金恩 (Marie-Claire King) 以DNA電泳實驗證實⼈類和⿊猩猩的 DNA 相似度達 90% (後續更精確的實驗證實高達95%相同)，是什麼決定性因素讓胚胎發展成黑猩猩或人類在當時仍然未知。

湯瑪斯摩根（Thomas H. Morgan)於1930年代引領的果蠅研究風潮，後繼的科學家發現雖然單一果蠅每個細胞都含有一樣的基因，但是在發展成成蟲的階段中不同體節活躍的基因片段不一樣，這些活躍的基因片段決定了胸部的體節該長出翅膀，而頭部的體節該長出觸角和複眼。

1990年代在美國登高一呼後，全世界共同投入大量人力物力到⼈類基因組計劃 (Human Genome Project)。人類基因組計劃發現人類的DNA中只有2%帶有蛋白質資訊，剩下98%沒有任何基因，（後續研究證實這些看似無用的DNA片段隱藏的基因的開關按鈕）。科學家又將線蟲、果蠅、小鼠作基因定序，發現這些生物帶有的基因數量和人類差不多，都是約2萬個。這個結果大大的震驚生物學界，看來基因數量並不是決定生物是否高等的變因。

回頭對照威爾森、果蠅實驗和人類基因組計畫的結果，這麼說起來人類和黑猩猩的差異不在於基因和蛋白質上，可能是在於發育過程中控制基因和蛋白質發揮關鍵功能的開關上。只要能控制調控基因活性的開關，就能以無數的方式創造新的演化。

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DNA 的雙股螺旋結構

DNA和你想的不一樣

20世紀持續的DNA研究結果讓人跌破眼鏡。日裔美籍科學家大野乾（Susumu Ohno)發現帶有蛋白質訊息的基因片段會一直重複出現，生物演化的過程中不斷地Carl+V貼上同樣序列的DNA片段在染色體中。人類的基因已經比想像中的還少了，結果出乎意料又有2/3是重複的片段。

芭芭拉麥克林托克（Barbara McClintock）被稱為玉米田內的先知，和潘德爾一樣同為20世紀的傑出女性科學家但不被業界所容。麥克林托克被迫放棄動物遺傳學轉到玉米田內研究植物遺傳學，她發現基因並不穩定，可以在染色體的斷裂點之間跳來跳去，這個發現不只讓她得到諾貝爾生醫獎，也解釋了演化有更多可能性。

既然基因可以自我複製並在染色體不穩定的斷裂點插入，那細菌和病毒的基因也有可能插入宿主的染色體中。書中提到兩個有趣的例子：蜕膜基質細胞（一種孕期出現在子宮內膜的特化細胞）和Arc控制神經元生成的基因，透過DNA定序被懷疑可能是幾千萬年前類似愛滋病的病毒遺留在人類遠祖身上的痕跡，最新基因定序的結果，人類約有8%的基因來自死亡或滅絕的病毒。自私的基因其終極目標就是延續物種的生存，因此外來基因能夠提高物種生存的機率，那何不留著好好利用呢？於是我們都成了希臘神話的異獸奇美拉—是脊椎動物遠祖和細菌病毒和嵌合而成的產物。

閱讀心得

科普書的心得非常難寫，因為內容大多為已被認定之客觀事實，不太會有表達論述的空間，因此寫著寫著好像變成導讀了，因此從這篇開始考慮將往後科普書的「心得」通通改為「導讀」。

過去高中時期我雖然念三類組，對於基本的生物學、基因工程等都有基本概念。學士和博士班最終選擇了完全脫離生物的二類組，結果陰錯陽差之下，博士班最後一年老闆想拓展研究領域開始接觸到電漿醫學（plasma medical），畢業回台後開始對高中時完全沒興趣的植物產生濃厚興趣，隔了3年在健檢時又和子宮疾病擦身而過，於是開始大量閱讀醫學、基因、生物學相關的科普書，兜了一圈再次遇到生物學，只是這次生物學的知識感覺不像念高中時那樣無趣、難以記憶背誦，徜徉在生物醫學科普閱讀之中，甚至讓我想起小時候曾經有過當博物學家的夢想。

回到關於演化最初、最迷人的問題：脊椎動物是如何從無脊椎動物分離出來? 魚類又是如何登陸? 科學界仍然眾說紛紜，演化的模糊輪廓在過去的2個世紀已經慢慢勾勒出來，但細節仍有許多未解之謎。但生物的演化之路並非隨機漫步，受基因調控，變化皆有脈絡可循。哈佛知名的演化生物學者古爾德（Stephen J. Gould）說：即使整個演化流程重新來過，該出現的特徵還是會出現。

我很喜歡蘇賓在本書通盤性地敘述古生物學和分子生物學近200年的進展，在使用心智圖將重要的理論節點和時序標示出來後，可以看到人類史上重要的生物研究是如何發展，基因學始於華生和克利克解讀出DNA分子結構，如同量子力學始於薛丁格寫下著名的波動方程式。DNA跨越時空聯繫著我們和我們古老的先祖，十萬年後的人類身上又留有多少我們這代智人的血與肉呢？不禁令人好奇與遐想。

書籍資訊

書籍原名：SOME ASSEMBLY REQUIRED: Decoding Four Billion Years of Life, from Ancient Fossils to DNA
作者：尼爾・蘇賓（Neil Shubin）
出版社：鷹出版
出版日期：2021年7月28日