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生命的躍升:40億年演化史上最重要的10個關鍵 Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution

生命的躍升:40億年演化史上最重要的10個關鍵
9789862620908
尼克.連恩
梅苃芢
貓頭鷹
2012年7月14日
140.00  元
HK$ 119
省下 $21
 
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叢書系列:貓頭鷹書房
規格:平裝 / 400頁 / 14.8*21cm / 普級 / 單色印刷 / 初版
出版地:台灣


貓頭鷹書房


自然科普 > 動物/植物 > 演化/遺傳















  如果達爾文從墓裡復生的話,我會給他這一本好書,讓他能夠快點趕上進度。
  --麥特.瑞德里,著有《紅色皇后》《克里克:發現遺傳密碼那個人》

  史上最重要的演化關鍵,終於--完全解密!

  DNA是從哪裡來的?眼睛是怎麼演化出來的?意識是什麼?我們又為什麼會死亡?
  生命為什麼是現在的樣貌?

  關於這些問題,現在終於有了最好的答案!過去數十年間最新的科學研究,讓我們看見生命最真實的歷史圖像。現在的科學技術可以比對基因體序列,可以研究蛋白質的結構,可以在人思考的同時觀察腦神經影像,也可以分析岩石裡面的化學成分,甚至可以詳細地勾勒出過去的大氣如何變化……這些新發現都有助於我們更深入地了解生命的演化。

  利用這些珍貴的科學發現,生化學家尼克.連恩挑選了十個演化史上最重要的關鍵,說明生命如何透過這些事件,一次次地革新,最後演變成今日繽紛多采的面貌。這十個關鍵,是根據它們對生命世界的影響,它們對今日生物的重要性,以及它們的象徵意義來決定的,其中包括:

  生命的起源   DNA
  光合作用    複雜的細胞
  性       運動
  視覺      溫血
  意識      死亡

  透過這十個關鍵,連恩不僅回顧了演化學過去的發展軌跡,也盤整了最新的研究成果,巧妙地重建了生命演化史。誰會想到,眼睛的起源竟是來自藻類執行光合作用的感光點?DNA是從海底的熱泉噴發口誕生的?連恩實際進入跨領域的研究現場,為我們取得第一手的資料。這裡每一個關於生命演化的奧祕,都是集合全球眾多科學家,歷經各種困難、失敗,才終於真相大白的科學探案。這些演化史上最重大的事件,改變了我們的生命世界,也改變了整個地球。

  本書結合了最新的科學研究,以說故事的方式完整呈現大自然令人拍案叫絕的十大奇蹟,既是新時代的《物種起源》,又像生物演化的《愛麗絲夢遊仙境》,更獲得科普書最高榮譽--英國皇家學會科學圖書大獎。這本書遠遠不只是科普報導,它展現的是科學研究為什麼如此迷人、如此激動人心的原因。如果你想知道我們為何會出現在這世上,或是對演化背後的科學基礎感到好奇,你一定不能錯過這本精采的科普傑作!

作者簡介

尼克.連恩Nick Lane

  連恩是演化生化學家,也是英國倫敦大學學院的榮譽教授(Honorary Reader)。他的研究主題為演化生化學及生物能量學,聚焦於生命的起源與複雜細胞的演化。除此之外,他也是倫敦大學學院粒線體研究學會的創始成員,並領導生命起源的研究計畫。連恩出版過三本叫好又叫座的科普書,至今已被翻譯為二十國語言。二○一○年,他以本書獲得科普書最高榮譽——英國皇家學會科學圖書大獎;而他的上一本著作《力量、性、自殺》(Power, Sex, Suicide)則入圍上述大獎的決選名單,以及《泰晤士高等教育報》年度年輕科學作家的候選名單,同時也被《經濟學人》提名為年度好書。連恩博士現居倫敦,關於更多他的資訊,請造訪他的個人網站:www.nick-lane.net

譯者簡介

梅苃芢

  台大公衛系畢業,巴黎第七大學免疫學博士,曾任美國國家衛生院博士後研究員,現旅居巴黎,任巴斯德研究所研究員。平日喜歡閱讀、寫作,吃美食遊山玩水。



推薦序 窺探新視窗,驚艷新十大──程延年
推薦序 生命演化過程中的偶然與必然──呂光洋

引言
第一章 生命的起源--來自旋轉的地球之外
第二章 DNA--生命密碼
第三章 光合作用--太陽的召喚
第四章 複雜的細胞--命運的邂逅
第五章 性--地球上最偉大的樂透獎
第六章 運動--力量與榮耀
第七章 視覺--來自盲目之地
第八章 熱血沸騰--衝破能量的藩籬
第九章 意識--人類心智的根源
第十章 死亡--不朽的代價
後記

致謝
中英對照表



推薦序

窺探新視窗,驚豔新十大

  前科博館館長的孫兒酷愛恐龍,每年返台,吵著要到科博館看恐龍。我總是拿出貓頭鷹出版的中文譯本《恐龍與史前動物百科全書》,伴隨著恐龍化石、模型,和小小年紀的他一起沉醉。這個孩子回到加州和他爸爸說,他們科學家把問題都答完了,把謎都解開了,我以後長大了怎麼辦?好急,好急,急著長大!一代大師牛頓臨死前直言:「我僅是個孩子,在海邊玩耍、解悶,尋找卵石與貝殼。而汪洋大海了不起的真相,在我面前與內心中,依然有著諸多未解之謎,讓我深深著迷、嬉戲,永不疲倦!」

  「著迷、嬉戲,永不疲倦」,這正是追求宇宙間奧祕的真精神。我在科博館出版的專書《水中蛟龍:史前水棲爬行動物》,獲得第二屆國家出版獎優等大獎的感言中,詮釋:

  閱讀,使一個民族壯闊、優雅,而有品味。閱讀的前提,在於這個社群中,有寫好書、出版好書、傳頌好書的「文化產業鏈」,運轉不息。「人」終究是關鍵!看著歐陸,「科普」書刊的瀰漫、渲染。大師們跳出象牙塔,為九歲到九十九歲的孩子們,寫精采的好書。典範,吾心嚮往之。

  貓頭鷹書房,中譯英國倫敦大學大師尼克.連恩的科普大書《生命的躍升》,正是推動這個文化產業鏈生生不息的一雙巨手!

  當代古生物學家與演化生物學家的研究,從「未知生,焉知死」的物種源始,到「既知生,探究死」,著迷於地質史中,生物大滅絕的真相與意涵,有所謂「五大」(Big Five)滅絕事件的暱稱。從「五大」到「新十大」,跨越地球科學與生命科學的兩個界域,嬉戲於生命大浩劫與大創新的光譜兩極,有趣極了!

  連恩教授是一位生物化學家,專精於分子世界的細節。他的三本書,前呼後應,一以貫之,是三位一體。二○○二年出版了《氧氣:創造世界的分子》;二○○五年出版《力量、性、自殺》,獲得《經濟學人》年度好書提名與《時代》學人獎,並入圍英國皇家學會科學圖書大獎決選名單。而這第三本寫給普羅大眾的專書(原文二○○九年出版),更是登峰造極——《生命的躍升》一出版即獲二○一○年英國皇家學會科學圖書大獎、《時代》與《獨立報》年度書獎,至今已譯成西班牙等二十國文字。他以老練的文采,讚頌生命演化創新的「發明才能」(inventiveness),以及我們人類自身的卓越潛能,去解讀幽冥之過往,並且試圖重新建構地球上生命的悠悠歷程。

  這本書,不容易念!至少對於欠缺生命科學背景訓練的讀者,要花一陣「勉力為之」的苦功。但是,一旦走進那有趣的分子世界,又很難脫身。本書的每一個章節,從誕生到死亡,從第一顆細菌的亙古幽冥到不朽的終極代價,都關係到我們存活在當下的步步維艱;抽絲剝繭,進入到「微觀世界」的神奇與奧妙。這些,都是最近半個世紀甚或近十年來,科學的重大發現與重大突破,徹底重新建構了我們對諸多議題的嶄新視野。像是「生命起源」的深海煉獄假說,挑戰著達爾文著名的「那一汪溫暖的小池塘」之隱喻。人類心智根源的「意識」,如何在分子層級上探究其起源與演化。「死亡」,這永恆價值的起點,與有形實體的終結,如何跳躍在「老年基因」「老化疾病群」,與「永生」的科學、哲學、人道與倫理的天空中翱翔!

  經由第一手科學家原創性的發現,連恩提起生花妙筆,平鋪直敘的描繪,字裡行間有畫面,具影像。他將艱深難解、象牙塔中的「甲骨文字」,轉譯成為白話文字的詩篇——這就是我們一直欣羨歐陸「科普寫作」市場的成熟與不凡。他們沒有象牙塔中鐘樓怪人的自命不凡,也不像當下「秀場」中半吊子的「科學人」,裝模作樣,言不及義。

  在書案上,堆放近十年來出版的七本專書,都是在探究生命演化的各種關鍵歷程。一流的科學家與大師,坐擁不同的視窗,探視三十八億年來,從巨觀化石到微觀分子的神奇世界。像是諾貝爾獎得主杜維(Christian de Duve)一九九五年出版的專書《生命盎然的塵埃:生命乃宇宙之必然》,從視窗中擷取了化學年代、訊息年代、原細胞年代、單細胞年代、多細胞年代、心智年代與未知的年代七大議題。而歐陸演化生物學首席史密斯(John Maynard Smith)與薩思麥利(Eors Szathmary)一九九五年出版的專書《演化中關鍵過渡事件》,則在視窗中透視各式起源的議題:生命、遺傳密碼、細胞、性、多細胞動物、社群及語言的六大溯源與尋根。大師們從各自的萬花筒中,探視芸芸眾生的繽紛多采!

  去年的秋季,漫步在英格蘭西部,達爾文的故居小鎮舒茲伯利。小鎮中主要的購物中心入口,高懸「Darwin 200」的巨大吊布。再往前步行在高街的書房,出版商期望搭上全球達爾文風潮的列車,櫥窗中整排裝飾的就是《生命的躍升》這本新書的首版精裝本,成為了路人注目的耀眼標幟!

  貓頭鷹書房,繼二○一○年精選《第一隻眼的誕生:透視寒武紀大爆發的祕密》,今年又選譯了這本好書。譯者旅居法國,既專業又是行內人,譯筆高明。我幸運地得以先睹為快,也開啟了我一扇嶄新的視窗。我滿心歡喜,毫不吝惜地推薦這本好書給愛好讀書的朋友們!

程延年
國立自然科學博物館古生物學資深研究員,國立成功大學地球科學研究所合聘教授,專長為化石與演化生物學。論文發表於《自然》《科學》《古脊椎動物學報》等學術刊物。致力於科普教育,最新科普專書《水中蛟龍》獲二○一○年國家出版獎優等獎。

深度導讀

生命演化過程中的「偶然」與「必然」

  在所有已知的生物中,「人」是最令人費解的動物了!還有哪些動物會用千奇百怪的方式將自已的身體剖開來,看看裡面有什麼器官,看看器官是如何配置的?更有甚者,是以近乎凌虐的方式,將身體以不同的電極、不同的電流強度通電,測試會產生什麼反應。科技愈發達,這種近似自虐的實驗方式更是日新月異。其他的生物,包括植物在內,整天在體內或體外的忙碌活動,都只為了攝取能量及繁衍後代。我們人類在飽食及履行傳宗接代的任務之外,竟然還有時間去問自已「從何而來?將往何處?為何會長成這幅模樣?」這些都是跟「演化」息息相關的問題,也是本書作者企圖替讀者解答的謎團!

  這雖然是一本科普書,但讀者可以發覺作者是以懸疑推理小說的方式在撰寫。從第一章講「生命的起源之自然發生」,第二章談「遺傅密碼的形成、自我複製到自私的基因」,一直到第九章討論「心智的起源」及第十章的「老化及死亡」。作者在每一章的開頭,都會提出一個演化科學的基本問題,然後試著以合乎邏輯的推理方式提供解答,但總在答案感覺呼之欲出之際,作者卻馬上指出這個答案的漏洞,然後再藉由另一個已經發表過的科學報告,提出更合理的解釋。如此一再地求證、推理,透過科學的證據,來追尋更進一階的答案。其所尋求及提供的證據,都有當代學理與實驗的辯證支持,證據擺在眼前,令讀者不得不接受他的說法。在這樣的過程中,作者也明確指出「演化」已可用科學方法來證明,對學生來說,光是閱讀的過程就是很好的科學訓練。

  關鍵中的關鍵—天擇

  前面提到作者隨手援引新的科學報告帶領讀者探求更高階、更合理的答案。讀者在閱讀時也可以發現,這些證據不僅僅局限於生命科學的領域,還包括化學、熱力學、量子物理學、經濟學、心理學,甚至是宗教。例如在第一、二章,討論在早期地球環境中,那些無機的化學元素如何藉著純化學的作用,自深海熱泉、冷泉對流的煙囪區形成建構生命所需的有機化學物質。這裡所涉及的領域,只有化學及物理學。不過,生物演化怎會牽扯到這兩個領域呢?這就要從基本的化學理論講起了。讀者知道任何化學作用都需要「能量」來支持,生命的「生化作用」及「代謝作用」自然也同樣需要能量。達爾文的演化理論,重點是在「天擇」。何謂天擇?簡單的說亦即各種環境因子都在扮演篩選或選汰的角色。那究竟在篩選什麼?以化學作用為例,如果不同的作用都能得到同樣的產物,就要將那些相對「節能」的生化作用或代謝過程保留下來,而選汰會消耗太多能量的作用過程。因此,在第一個生命誕生以前,涉及同樣產物的各種純化學作用,就已經受到天擇的選汰,相對粍能較多的化學作用必然不會被保留下來。書中提到熱泉冷泉區就因為在早期地球環境中,相較之下較易提供能量去進行有機分子的合成,因此也比較容易成為生命孕育的場所。

  作者另外也提到,在鹼性溫泉噴發口的空腔壁富含硫化鐵礦物。空腔可累積保存濃縮的有機分子,而硫化鐵則可提供具有強力催化能力的亞鐵離子。這不僅能大大降低化學作用的能量需求,且能加速化學作用的進行。天擇再次在此篩選出這些有催化作用的地區,來作為孕育第一個生命的場所。古細菌在此形成也就不奇怪了。至此,生命的演化很神奇卻又很合理地進入到有催化劑化學作用的階段。

  談到化學,有不少金屬離子是具有催化作用的。有機分子自然形成之後,有不少機會可和這些金屬離子結合,組成有機化學分子。當這個有機化學分子帶有一個含鐵、鎳跟硫原子的核心,更會具備強力的催化作用。在各種不同的蛋白質演化出來後,部分蛋白質和上面提到的那些具有催化作用的化學分子,便合成了□(酵素)。因為「□」的催化速度快,天擇當然會將這些既節能,反應又快速的生化作用留下來。如此一來,生命中的生化作用進入到酵素系統的階段。(學過生化的學生必定看過細胞內到處充滿酵素作用的生化反應。)可見只要有必要的有機生物分子及機遇存在,天擇會在不知不覺中,隨時發揮作用。

  再更仔細檢視這些生化反應,有不少是「循環反應」。所有上過高中生物學的學生一定忘不了「克氏循環」及「光合作用反應循環」。但有多少人會去追問,為何生物體內形成的生化反應,有那麼多屬於「循環反應」?這當然也是天擇的產物:這些作用不僅節能、快速,而且細胞也不必再依賴外界提供反應所需的材料。循環作用就是最佳的分解及合成的反應,也是最佳的代謝作用方式。

  當形成早期生命必備的有機物質及遺傳分子都出現在所謂「生命高湯」中以後,會出現兩種可能的情形。一種可能是那些有機分子會隨意分散在高湯中,另一種可能,則是分子會遵循化學及物理定律而聚集成大分子,分子也會聚在一起,形成與外界隔離的小環境(可能是圓球形)。在天擇的篩選下,比較可能會出現哪一個情況呢?唯一的答案只有可能是後者。因為,一個與外界隔離的環境比非隔離的環境要穩定得多,相對的也更有利於各種生命反應的進行。同樣的,那些遺傳的分子如果隨意分散在細胞質內,在細胞分裂時,遺傳分子能忠實無誤地平均分配到子細胞的機率便很低很低;遺傳分子若包裹成染色體,複製後再平均分配到子細胞的機率,就可能達到百分之百。葉綠體、粒線體、高基氏體等胞器,也是在這種背景下由天擇所選汰下來的產物。

  在細胞形成後,細胞仍然需要外界提供物質及能量。要無憂無慮地生存下去,最好是細胞內部便能儲存大量的物質及能量,以減少對周圍環境的依賴。此種需求下,天擇會選擇單細胞或多細胞的答案就很明顯了!多細胞生物體的內在環境要比單細胞穩定,故多細胞的生物就逐漸演化形成了。作者在第八章詳細地討論到變溫及恆溫的利弊,還有它的演化過程,這也同樣遵循著上述天擇的作用及演化的脈絡。

  依照上面的討論,生物演化似乎有種趨勢—天擇使得生物透過演化,愈來愈獨立於環境之外,最後能不看老天的臉色更好。那未來的生物能否完全脫離周圍生存的環境呢?未來,即使我們對心智意識的成因與運作方式的研究都已經非常透徹,也完全找出了控制死亡、令人長壽的基因,屆時「孫悟空」能否就有機會逃離如來佛的手掌心?讀者可去深思。

  靜下心來,想想「偶然」與「必然」

  三十多年前,就有一本標題是《偶然與必然》的書。這本書的內容也是在討論生命的演化。《生命的躍升》這本書,幾乎每個章節也都有「偶然」與「必然」的字眼出現。「偶然」涉及到機率的問題,表示事情有發生的可能。在三十五或四十五億年前,生命所需的各種分子如本書所言都已俱備。在「偶然」出現的機遇下,讓天擇(環境中物理及化學因子)可以發揮作用。在眾多可篩選的化學分子及反應過程,那「相對」有利(節能又快速)的一方「必然」被篩選下來。因此在生命漫長的演化過程,「偶然」與「必然」必定涉及在其中。

  另外,演化是否成功,其實也是一種相對的比較。經天擇作用後,誰產下的後代有較高的存活率,誰就算成功。所以在演化上,有五十一個子代的父母就比僅有四十九個子代的雙親成功。作者在談到眼睛的演化時,就引用《盲眼鍾錶匠》一書中的例子:「演化出一半的眼睛就比沒有眼睛的個體在存活上要強得多」。所以在共祖的現存生物中,只要多一個感光點、多一個透光的結晶蛋白,細胞或個體在覓食或避敵上就更有利。故成功與否完全是相對,沒有絕對的!畢竟要追求不變的終極完美,不就也得要有永恆穩定的環境?

  本書作者嘗試為我們回答十個和生物演化有關的問題,他的辯證回答完全合乎邏輯,但每一章仍舊沒有提供終極的答案。因此,在生命科學的世界中,還有很多問題可發問及思考,以及許多有趣的答案有待挖掘。那什麼問題值得繼續發問呢?

  著名的族群遺傳及演化學者,杜布贊斯基以果蠅做實驗,解決了很多生物演化上的問題。所有生物演化教科書,都必定印著他說過的一句很值得深思的話:「如果不從演化的角度去看,生物學就沒有意義了。」他指出學生在提出有關生命科學的問題時,必定得從演化的角度去思考,否則便無法窺探到生命世界的奧祕及意義。不過,因為生物的演化和環境有密不可分的關係,因此後來又有學者在那句話的後面再加上一段:「如果不從生態學的角度去看,演化就沒有意義了。」相信這兩句話,也有助於讀者跟我們一起,思考一些有意義也有深度的生命科學問題。

呂光洋
台灣師範大學生命科學系名譽教授




其 他 著 作
1. 能量、性、死亡:粒線體與我們的生命(15周年新版)
2. 能量、性、死亡:粒線體與我們的生命