我所理解的生命科學(一)

更新 發佈閱讀 8 分鐘
生命科學的定義:研究生命現象、生命本質以及生物如何運作的科學。

九月中旬,我上了王立銘教授在得到的課程《生命科學50講》。他用通俗易懂的方式帶我領略了這深奧的領域,受益匪淺,我將用文字整理我所理解的生命科學。

生命與智慧動物的五大元素

生命五大元素:物質、能量、複製、細胞、分工

智慧五大元素:感覺、學習、社交、自我意識、自由意志


自私的基因

人類演化了三十萬年,從非洲走到世界各地。

道金斯《自私的基因》談到:作為一個人類,我們存在目的就是幫助DNA複製與延續,也就是說我們只是DNA生存的載體。基因會影響個體的行為,來增加自己被傳下去的機率,而哪些基因能留下後代,就是一種自然選擇的過程。

而人類的利他行為,也能用「自私」來理解:

  1. 親緣選擇:動物會犧牲自己幫助近親,因為親屬共享大量基因,基因還是能延續。
  2. 互惠利他:幫助他人,未來換來幫助自己,也能增加生存機率。

我們來談談蜜蜂社會吧,為什麼工蜂為了蜂群社會,犧牲了自己的生育能力?

蜜蜂社會與癌細胞

蜂群大致分成三種成員:蜂后(F),工蜂(F)、雄蜂(M)

蜜蜂的繁殖方式很特別,受精卵會是雌蜂、未受精卵是雄蜂,蜂后可以控制雄蜂數量,不是跟人類一樣50:50的機率。

蜂后是被工蜂挑出來的,吃了大量且營養的蜂王漿,體型大,卵巢也發達,一天可產上千顆卵。而且它會分泌特殊化學訊號,抑制工蜂的生殖器官發育,避免一個社會出現兩個蜂后。

而作為女性的工蜂,就得負責採蜜、育幼、築巢、防禦,成為了專職勞動的人民。雄蜂作為少數的男生,唯一的功能只需要跟蜂后交配,接著死亡,從基因延續來看,養太多雄蜂=浪費資源。

基因為了整體留存最大化,演化出來這類型蜜蜂社會。

工蜂放棄了生育能力,但保留了有生育能力的蜂后。

這跟我們細胞構成非常類似,我們都是由受精卵的「細胞分裂」出來的,我們的體細胞(肌肉,神經,血球),會像工蜂一樣自動退化,但保留其「功能」,這叫做分化,負責維護個體生命;唯一能產生後代的細胞就是生殖細胞,負責基因延續。

人體的基因組有30億個鹼基,人體每次細胞分裂大約產生3個以內的突變,但通常錯誤或會在複製後被修正。

癌細胞是一種體細胞的反抗,來自於突變的累積(紫外線、放射線)→ 自我修復出現問題 → 癌細胞(體細胞)瘋狂生長,掠奪身體資源。像是「叛變的工蜂」,脫離了蜂巢秩序,消耗資源,破壞系統。

我們回到生命五大元素之一:物質。

一、物質世界

人是如何出現的?構成人的基本元素在自然中是否特殊?還是人類的出現只是一種高機率的必然?還是就如同基督教說的:人類是上帝依照他的形象創造的,具有靈魂與自由意志。

raw-image

但在科學語言中,沒有理所當然,有多少證據說多少話。所以我們先放下神秘主義,先來看科學家做的兩個實驗:

1828年:維勒實驗

首先我們先有個認知:

有機物=生命的骨架與訊息(e.g. 細胞膜、蛋白質、DNA)

無機物=支撐環境與平衡(e.g. H₂O 作為溶劑,礦物鹽維持代謝)

當時人們認為有機物必須由生命體製造(所謂的”生命力”),而德國化學家維勒在實驗室用氰酸銨 (NH₄OCN) 合成出了 尿素 (NH₂CONH₂),證明有機化合物可以由無機物合成,佐證了生命分子,其實不需要「神秘生命力」也能產生。

Credit:Liz情境科學教材

Credit:Liz情境科學教材

1953年:米勒實驗

美國化學家米勒用燒瓶模擬早期地球環境,發現了燒瓶中竟然有多種有機分子,包括氨基酸。這證明了,生命的基本原料,可以在沒有生命的情況下自然形成。

raw-image

藉由以上兩種實驗,我們發現:

生命的化學基礎源於自然規律,人類的出現不是因為物質特殊,而是在特定條件下,物質能自組裝,並逐步走向生命。

講完了物質,難道只有物質就構築了人類?在這個熵增的宇宙中,能出現像是人類這麼有序的生物,「能量」功不可沒,它抵禦了「熵增」。

二、能量:賦予物質活力

薛定諤在《生命是什麼》寫了一句震撼的話:

「活著就是對抗熱力學第二定律。」

熱力學第二定律

它的定義是:在一個孤立的系統,熵(混亂程度)只會增加,不會自然減少。所有東西都傾向「混亂、衰敗,能量均勻化」。熱的咖啡會變冷,金屬會生鏽,宇宙終極趨向「熱寂」。

但生命體會透過吃飯、呼吸,把低熵的食物能量吸收進來,排出高熵的熱量與廢物。植物也會把太陽能轉換成有序的化學能。如果沒有太陽,地球就會是封閉的系統,不斷熵增,生命不可能長期存在。太陽持續給地球一股讓生命維持秩序的能量流。

合作用讓 無機的 CO₂ + H₂O → 有機的葡萄糖,等於把太陽能封裝起來,變成生態系的「通用貨幣」。

而我們生命體靠著「輸入能量,輸出混亂」來維持自身秩序。我們花費能量來維持身體秩序、思考與行動。

ATP → ADP + Pi + 能量

實際上能量產生的方式,是葡萄糖透過呼吸作用,把化學能轉換成30-32個ATP,而這就是高中生物所學的「能量貨幣」。當細胞有多餘能量,會再把ADP加上一個磷酸基,重新合成ATP,就這樣的反覆循環,一個ATP分子,每天要在人體循環兩三千次,進而維持身體秩序的能量。而且只要你還在呼吸,血糖和脂肪,ATP就可以不斷再生。

有一個形象化的比喻,讓你更了解能量產生的元素。

  • 葡萄糖 = 銀行帳戶的存款(原料)
  • ATP = 錢包現金(隨時可花)
  • 運動時:先花 ATP → ATP花完了 → 再把葡萄糖分解來補錢包。

三、自我複製

對於基因來說,繁殖(自我複製)的策略 >>>>>> 永生。

地球在這45億年的環境不斷變化,歷經了火山活躍、冰河時期、大氧化事件(光合作用細菌釋放大量氧氣,讓不耐氧的生物滅絕),甚至是人類兩百年工業化造成的全球暖化。

永生沒辦法抵抗突如其來的環境變化,也因此自我複製,也就是繁衍後代,成為了基因存活的最佳策略。

那要怎麼把一個生活在三維世界的生物,複製給下一代呢?

DNA

大家在高中生物肯定學過,DNA是雙股螺旋結構,由「核苷酸」構成,這個核苷酸會記錄四種鹼基之一:A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)。DNA 的鹼基序列記錄了「合成蛋白質」的指令,決定了生物的性狀。

raw-image

三維的生物,用一維的DNA信息存儲跟複製,遠比蛋白質容易。每三個相鄰鹼基則對應一個氨基酸,生物資訊因此能複製。

DNA複製有兩個特性

  1. 高精確性:複製十億次出錯一次,偶爾出錯可以適應環境
  2. 儲存信息效率很高

雖然基因只有直接決定「蛋白質」,但是這些蛋白質會影響「荷爾蒙調控、神經發育蛋白等」,也就是說蛋白質決定細胞如何工作,而細胞如何工作就影響到器官,器官進而影響身體與心智特徵

DNA提供你「潛力範圍」,環境決定你在這範圍內最終達到哪裡。

半保留複製:A配T、C配G

實際在複製時,雙股螺旋先解開。每一條舊鏈(母鏈)都會作為模板,合成一條新的互補鏈。A配T、C配G的專一性配對,也確保了DNA複製的精準度。

raw-image

小結

  1. 維勒實驗 我們知道,有機物並不需要神秘的「生命力」就能生成
  2. 米勒實驗 我們看到,在早期地球的自然條件下,生命的原料分子(如胺基酸)可以自然誕生
  3. 隨著分子逐步組合出更有序的結構,最終形成了 DNA 這種能儲存與複製資訊的分子,使生命得以延續並演化。
生命並不是憑空出現的奇蹟,而是物質在自然規律下,逐步走向有序與自我延續的結果

下一篇文章,會延續本文的話題,談論細胞,以及細胞分工。小小的細胞到底裝了什麼,數十億顆細胞到底是如何分工合作,才構成人類這個生物。

本文讀書筆記內容來自:王立銘教授《生命科學50講》

留言
avatar-img
留言分享你的想法!
avatar-img
張朝宣的沙龍
15會員
10內容數
張朝宣的沙龍的其他內容
2025/09/24
2025/09/24
2024/12/16
有太多哲學家探討孤獨。老子認為孤獨是與宇宙之道契合的狀態、柏拉圖認為是追求智慧的代價、叔本華認為是一種高貴的狀態;尼采認為這是超越平庸的卓越必經之路。 涉及到人生等級的議題通常沒有一定的真理,任何人整理出來的系統只要合理,就能夠採納。然而每個人對世界的體驗不同,沒辦法用一言以蔽之的哲學概念來滿足人
2024/12/16
有太多哲學家探討孤獨。老子認為孤獨是與宇宙之道契合的狀態、柏拉圖認為是追求智慧的代價、叔本華認為是一種高貴的狀態;尼采認為這是超越平庸的卓越必經之路。 涉及到人生等級的議題通常沒有一定的真理,任何人整理出來的系統只要合理,就能夠採納。然而每個人對世界的體驗不同,沒辦法用一言以蔽之的哲學概念來滿足人
2023/09/16
回到我一開始選擇大使交換的初心「轉換環境以刺激生活靈感」。過去的生活過於循環:在家學習特定領域、健身房、偶爾出門散步,雖然每天都在接觸新資訊,但以更大的視角看待我的人生,無疑是乏味的。我覺得當時自己需要新的刺激與旅行以反思生活:無論是讓我更加堅定要走相同的道路,抑或...
Thumbnail
2023/09/16
回到我一開始選擇大使交換的初心「轉換環境以刺激生活靈感」。過去的生活過於循環:在家學習特定領域、健身房、偶爾出門散步,雖然每天都在接觸新資訊,但以更大的視角看待我的人生,無疑是乏味的。我覺得當時自己需要新的刺激與旅行以反思生活:無論是讓我更加堅定要走相同的道路,抑或...
Thumbnail
看更多
你可能也想看
Thumbnail
還在煩惱平凡日常該如何增添一點小驚喜嗎?全家便利商店這次聯手超萌的馬來貘,推出黑白配色的馬來貘雪糕,不僅外觀吸睛,層次豐富的雙層口味更是讓人一口接一口!本文將帶你探索馬來貘雪糕的多種創意吃法,從簡單的豆漿燕麥碗、藍莓果昔,到大人系的奇亞籽布丁下午茶,讓可愛的馬來貘陪你度過每一餐,增添生活中的小確幸!
Thumbnail
還在煩惱平凡日常該如何增添一點小驚喜嗎?全家便利商店這次聯手超萌的馬來貘,推出黑白配色的馬來貘雪糕,不僅外觀吸睛,層次豐富的雙層口味更是讓人一口接一口!本文將帶你探索馬來貘雪糕的多種創意吃法,從簡單的豆漿燕麥碗、藍莓果昔,到大人系的奇亞籽布丁下午茶,讓可愛的馬來貘陪你度過每一餐,增添生活中的小確幸!
Thumbnail
「一體」概念,轉向「無體」意識,這樣學習去「參」 為要面對人生的無常作出準備。
Thumbnail
「一體」概念,轉向「無體」意識,這樣學習去「參」 為要面對人生的無常作出準備。
Thumbnail
透過意念和觀想,我們可以更深入地理解生命的連結性,並且打開感知之路,體驗到更多生命的可能性。觀想的重點在於「意圖」,思想是吸引愛進入你的現實的力量。本文探討觀想的技巧以及透過觀想所能達到的效果。
Thumbnail
透過意念和觀想,我們可以更深入地理解生命的連結性,並且打開感知之路,體驗到更多生命的可能性。觀想的重點在於「意圖」,思想是吸引愛進入你的現實的力量。本文探討觀想的技巧以及透過觀想所能達到的效果。
Thumbnail
邁向生命的圓滿(象山慶24.6.1) 生命的由來—造物主、進化論,或其他?    生命的起源,是現代科學、哲學、神學尚未解決的重大問題,是人們關注的焦點。歷史上對這問題也有多種假說,如神靈創造說、自然發生說、化學起源說、天外飛來說;但都是以地球生物為對象,且偏於物質的來源,忽略了生命的內在主體:
Thumbnail
邁向生命的圓滿(象山慶24.6.1) 生命的由來—造物主、進化論,或其他?    生命的起源,是現代科學、哲學、神學尚未解決的重大問題,是人們關注的焦點。歷史上對這問題也有多種假說,如神靈創造說、自然發生說、化學起源說、天外飛來說;但都是以地球生物為對象,且偏於物質的來源,忽略了生命的內在主體:
Thumbnail
「意識」,生命最基本的核心。如果祂有話跟我們說,祂會說什麼? “意識”自己現身說法,讓我們來聽聽祂是怎麼說的。
Thumbnail
「意識」,生命最基本的核心。如果祂有話跟我們說,祂會說什麼? “意識”自己現身說法,讓我們來聽聽祂是怎麼說的。
Thumbnail
系統排列真正的目的是為了學習生命之道,而不只是為了解決眼前單一的問題。命運如宇宙般看似奧妙,但卻有其自然運行的道理。如日出日落,四季變換,生與死的消長變化,其智慧皆是生命之道。人也是宇宙中的一份子,人的良知也如宇宙般雖看似奧妙,卻有著平衡與補償,得到與失去..等
Thumbnail
系統排列真正的目的是為了學習生命之道,而不只是為了解決眼前單一的問題。命運如宇宙般看似奧妙,但卻有其自然運行的道理。如日出日落,四季變換,生與死的消長變化,其智慧皆是生命之道。人也是宇宙中的一份子,人的良知也如宇宙般雖看似奧妙,卻有著平衡與補償,得到與失去..等
Thumbnail
神經科學大師剖析生命源起、感覺與文化對人類心智發展的影響
Thumbnail
神經科學大師剖析生命源起、感覺與文化對人類心智發展的影響
追蹤感興趣的內容從 Google News 追蹤更多 vocus 的最新精選內容追蹤 Google News