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：
- 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。
- 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。
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
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。
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。
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
- 高精確性：複製十億次出錯一次，偶爾出錯可以適應環境
- 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。
小結
- 從 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
- 從 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
- 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》
