Evolutionary Biology – 余海峯 David

講到行星科學、生命演化的時候，常會聽到這一句話：「地球是生命的搖籃。」很多年來，天文學家都努力尋找類似地球的行星，希望找到外星生命的證據。我們可以用什麼方法找尋外星生命呢？最直接的方法，當然是飛過去看看吧。人類的人造衛星已經探訪過包括冥王星在內的所有太陽系裡的行星了，其中旅行者一號和二號更在飛出太陽系的旅程中。不過，就算是不需帶備供人類使用的維持生命的物資和裝置，這些無人探測器也得花上好幾年的時間才能飛越太陽系的行星軌道，更不用說去探訪外太陽系的行星了。在這些探索當中，最為人熟悉的應該是火星無人探索車好奇號吧。好奇號上配備了多個科學儀器，用以探測火星的土壤裡有沒有生命。而最簡單的方法，就是看看泥土之中有沒有某些由生命製造出來的有機化合物。不過至今結果都是：還未發現火星上有生命存在。不過，有些科學家覺得，我們可能一直問錯問題。為什麼呢？首先，為什麼我們認為生命必然會製造出好奇號的儀器找尋的那幾種化合物？當然，這是經過科學家嚴謹考慮過的，因為好奇號能夠帶上火星的儀器有限，不可能把所有可能的化合物都一一尋找。而且，人類的數據當中，只有一個星球上的生命形態可以作為參考：地球。所以，好奇號的結果，其實並非「火星沒有生命存在」，而是「火星沒有會產生某幾種類化合物的生命存在」。已經有越來越多人估計，外星生命的形態很有可能與我們地球上熟悉的形態非常不同。當然，其實我們對地球上的生命形態也不是很熟悉的：平均每天都有新品種被發現，其中大部分都是一些我們會稱之為「奇形怪狀」的深海生物。就算是地球上的生命形式，牠們所使用的生存方法也可以非常不同、非常極端。例如人類，我們吸取氧氣，吃富含營養的食物，透過呼吸作用把食物中的能量抽取出來，以糖的形式儲存在身體之中。而我們熟悉的植物其實已經是使用非常不同的形式來提取能量：它們能夠以光合作用，直接把陽光從光能變成化學能，吸取二氧化碳來把養份變成澱粉 (讀 DSE 生物學的同學，以上的東西你應該要比我更清楚！)。而另外一些更極端的微生物，連海底火山口的高溫也能抵抗，牠們能以火山口的高熱作為能源。地球上的生命形式雖然非常豐富、千奇百怪、應有盡有，但地球上所有生命都是用同一種方法繁殖：遺傳因子 DNA。至現時，從未發現一種生物的細胞內沒有 DNA。所以，你也可以說，地球上的生命形式其實也很單調。可是，人類連自己的行星上的生命都並不是那樣熟悉，我們對外星生命的推測也應該不會準確到哪裡去吧。不過事實上又是不是這樣呢？這樣就要靠另一個尋外星生命的方法，就是用強大的天文望遠鏡去找尋其他環繞太陽系的行星。我們稱這些行星為外太陽系行星。首先你會問：「如何看得到外太陽系行星？」問得好，其實以現時的科技，我們是直接「看」不到這些行星的。最接近我們的太陽系的一個恆星系統 (即另一個太陽系) 叫做半人馬座 α，距離地球大約 4.2 光年。光年是距離的單位，意思是光在 1 年內能夠到達的距離。光在 1 秒鐘內已經可以環繞地球跑 7 個半圈 (大約 30 萬公里)、1 秒鐘可以從地球到達月球、大陽光在 8 分鐘內可以到達地球 (所以我們看見的太陽其實是 8 分鐘前的太陽！)、在 4 小時內到達海王星的軌道 (所以如果你坐太空船飛出去，與地球上的人通訊時的延誤會越來越大，這可不是因為 lag 機，而是因為通訊電波也只能以光速傳播)。光已經這樣快了，可仍然要跑 4.2 年才能到達最接近的另一個太陽系！事實上，半人馬座 α 並非只有一顆星，而是三顆！只是因為 4.2 光年的距離太遠，看上來三顆星就重疊在一起，要用高倍率的天文望遠鏡才能夠把它們分辨開來。可想而知，要看恆星已經這樣難了，何況不會發光的行星？而且，天文學家仍然未能夠「看」到恆星，用現時最強的哈勃太空望遠鏡看半人馬座 α，也只能看到三個光點，不能夠像看我們的太陽一樣，看到一個球體。所以我們其實是「看」不到這些外太陽系行星的。天文學家其實是利用幾種不同的方法，間接的「看」這些行星。簡單來說，可以想像：為什麼看不到這些行星？當然是因為它們的恆星太光了，而行星只能靠反射恆星的光作為光源，所以被其恆星的光芒淹蓋。所以首先我們會看恆星來推斷有沒有行星系統存在。比起恆星，行星的質量雖小，但它們的引力也會對恆星造成一些非常細微的影響。天文學家如果看到恆星軌道有週期性的擾動，就知道一定是有一些「看不見」的行星在附近了。所以至少可以得知該行星的公轉週期之類的資訊。然後，就是如果好運，行星公轉的軌道平面剛好在與地球的視線上，那麼當行星繞到恆星前面時，一部分的光就會被行星遮住了。所以除了公轉週期，天文學家也可以計算出該行星的大小和質量等資訊。除此以外，試想像：如果該行星有大氣層，當行星剛好繞到恆星前面，行星的邊緣剛剛接觸恆星的邊緣時，恆星的光就會穿過行星的大氣層才飛到地球。當光線穿過大氣層時，就會與大氣層裡的份子互動，會被散射、吸收等等。與未有穿過大氣層的光比較，就可以知道大氣層的化學成份及其比例了！原理就是中學化學學到的光譜學，天文學家從這些光的光譜中的發射線和吸收線辨認出各式各樣的化學份子。天文學家對外星生命的遺傳因子、提取能量的方法等等，老老實實，都只能「靠估」。不過，當我們知道一個星球的參數，例如大小、質量、化學成份 (好運才有……)、公轉週期等等，其實已經可以作出很多合理的推測了。…… Continue reading 從外星生命淺談天文

左圖：達爾文於 1878 年之照片。右圖：道金斯。行星：生命的起源生命從哪裡來？研究顯示生命大概源自太陽系內，而且要看你如何定義「生命之源」。生命的源頭是第一個微生物？這個「微生物」與現代的微生物很可能大不相同。還是組成這個微生物的第一個有機化合物？如果你認為生命的源頭是碳原子，哪麼你甚或會認為生命源於太陽系外，畢竟我們都是星塵。有些天文學家認為地球上的有機化合物是來自一些過去曾撞擊地球的小行星。也有科學家認為這些化合物是從地球上的古代大海之中，由比較細小的原子、份子通過吸收閃電、火山的能量組合而成。當然，這些情況也可能發生在其他行星之上，然後經由星體碰撞被拋進太空，變成隕石抵達遠古時的地球。生物學家道金斯 (Richard Dawkins) 認為，生命源於地球的古代大海。各種不同、擁有自我複製能力的化學物質互相爭奪大海中的資源。然後到了資源差不多耗盡之時，因為某一次的自我複製出現了錯誤，而這個錯誤的效應是使這新份子擁有拆散其他份子的能力，從而把它們 (牠們？) 變成複製自己的材料。這應該就是地球上第一個獵食者了。當然，也有一些錯誤複製的結果是致命的，使得新份子的求生覓食能力比其他份子低，而這些份子就會被大自然淘汰。其實在現今，這種錯誤複製也一直在我們 (或任何物種) 體內發生，我們稱之為突變 (mutation)。擁有突變後的DNA的個體如果比其他個體更能適應環境變化、擁有更多的後代的話，就會演化出新的物種。回到過去的海洋。隨著時間一路推移，這些複製錯誤的份子互相爭奪資源、獵物。自我複製速率高、拆解對手能力高的一方，就會成為最後的大贏家。然而，贏家的代價就是再找不到食物，因為差不多所有的對手、所有的食物都被牠們吸收掉了。這時，這種份子就會開始大量死亡，因為沒有食物就等於沒有能量供應。寫到這裡我在想，如果人類再繼續逼死其他生物、再不斷砍伐山林，我們的結果會否跟這種取得「勝利」的份子一樣？當這種份子數量大量降低以後，其他份子就有機會出頭了。於是戰爭又再繼續。有些份子演化出保護自己的外殼，可能是類似細胞膜的東西；也有一些演化出破壞這些外殼的方法；有一些更可能演化出殺死外殼裡頭的份子，取而代之的獵食方式。這場演化戰爭一直發展下去，直到DNA終於演化出來，成功打敗了採取其他生存戰略的份子，並且發展出許多利用不同環境、不同獵食方法的分支。為甚麼我會知道DNA是唯一的大贏家？因為在地球上所發現的生命，包括所有動植物、原生生物、原核生物及真菌，體內的都是DNA。當然，我們也可以假設DNA是比較近期才演化出來，然後收拾掉一切非DNA的生物。只是，這個假設比較不可能發生，原因是地球上的生命形式實在是太多了，DNA要如何在「近期」的短時間內從空中、陸上、水中以至深海的物種間進行種族大清洗呢？不管是哪一物種，要生存、繁殖都必須要有充足的能量供應。否則能夠生存卻不夠養份繁殖、能夠繁殖下一代卻不夠養份生存，就是得個桔。地球是我們唯一知道的有生命存在的行星，它提供了生命所需的一切：空間供給居住、大氣層供應氧氣及二氧化碳、抵擋紫外線、磁場阻隔太陽風及宇宙射線，還有大海、土地為生物儲存養份等等。當然，地球上生物的大部份能量來源是太陽光，只有少部份來自地熱。所以，行星是生命能夠演化傳承的舞台。但是，生命並非生存在一個一成不變的舞台上。自然環境孕育生命，生命同時也塑造大自然。在遠古時代，地球是沒有這麼多氧氣的。活在地球上的生命，大多都是厭氧生物。牠們不喜歡氧氣，因為氧氣對牠們來說是劇毒。由於地殼不穩，大量的二氧化碳隨著火山爆發被噴入大氣之中。年月累積下來，地球的二氧化碳含量就愈來愈高。可是這樣一來就有利於靠二氧化碳與陽光進行光合作用的生物了！這些生物會愈來愈多，因此愈來愈大量的二氧化碳會被吸走，取而代之的是氧氣。於是那些原本雄霸一方的厭氧生物，就只好往海底下去找安身之所了。現在，我們可以在海底的火山口附近發現許多厭氧的微生物，相信就是這些古厭氧生物的後代了。植物演化出來之後，依賴氧氣的動物也在某個時候演化出來，兩者就一直合力維持地球大氣中化學成份的平衡。當其中一方數量過多，就會放出過多不利於自己、但有利於對方生存的氣體，於是大自然就會發揮一個天然的負反饋作用 (negative feedback)，令兩者數量比例再次回復平衡。所以，地球本身其實亦是積極參與生命演化的一份子。根據林超英先生的講法，地球本身就是一個生命啊！演化：生命的延續演化是物種之間互相轉變的方法，也是生命由簡單趨向複雜的方法，更是生命得以在地球上傳承至今的不二法門。在今天，除了演化論，根本沒有另一個可以同樣成功解釋生物界多元化且展現物種間環環相扣的現象的科學理論。達爾文 (Charles Darwin) 於一八五九年出版《物種起源》(On The Origin of Species) ，提出物種會演化的理論，至今已經超過一百五十年了。在這百多年之間，很多人出版過《物種起源》不同的版本，有一些更加入了出版者本身的意見；亦有很多人寫書、文章去評論這個理論；也有人寫書說別人的書如何誤解了演化論的意義，之後對方就再寫書說那些人寫書說他們寫的書如何誤解了他們沒有誤解演化論的意義……總之就是在科學界引起了軒然大波，尤其在百多年前，科學界仍然將生命起源留給上帝的時代。在這篇文章中，我不準備討論演化論有甚麼意義、對科學和宗教又有甚麼影響等等。這些也許我會在以後再討論。現在我只把它當成一個普通的科學理論看待 (它根本就是一個普通的科學理論嘛，演化論與相對論沒甚麼分別，而且相當容易理解)，嘗試為讀者解釋演化論的內容。這可以說是我讀完《物種起源》與其他演化論書藉後的分析，也可以說是一個物理及天文專業自學生物演化的讀書報告。第一步：突變 (Mutation) 不管是由甚麼原因引起，突變是指生物的某些基因 (genes) 突然發生變異。變異可以是以任何方式改變了本身基因的排列，例如基因互換位置。這些變異可以是對該生物外在的表徵，或是內在的改變，又或者可以是完全沒有任何改變。但只要這些變異會造成任何可觀察的影響，這些影響就會改變這個體在環境中的適應力，大自然就會自動判斷對這個變異是「好」還是「不好」。至於基因是指DNA的不同段落，可以把它們想像成電腦指令，雖然不太精確。有些人會形容DNA像是生命的藍圖，可是我認為這個比喻很容易令人誤解。你可以從一張藍圖看出所要建造的東西的所有細節，但你不可能只看DNA就知道這個體的所有細節。就好比你不可能只看一個電腦程式的source code就了解整個程式如何運作吧。比較精確的比喻是DNA就好像菜譜，它記載了你需要甚麼材料、材料的份量、何時該加熱等。菜譜本身包含了這個菜式的一切資訊，可是若不把它煮出來就永遠無法知道它的味道。生命也是一樣。第二步：適者生存 (Struggle for existence) 生物因為體內的基因發生突變，導致一些外在或內在的改變。一開始可能這些改變並不明顯，對該生物的生存及繁殖沒有太大的影響，因此得以傳遞到下一代。經過世代傳遞，這些改變就會愈積愈多，最終所有這些改變的共同效應會影響這物種第N代的生存機會。如果其影響是減低了該物種對生存、繁殖的競爭力的話，這種變異體就會很快消失，因為牠們的後代數目將會快速減少；反之，若此等競爭力等到提昇，該物種的後代數目就會不斷上升。…… Continue reading 行星．生命．演化