【GENE思書軒】從細菌、人類到巨象,我們都在同一棵樹上:《纏結的演化樹》
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【GENE思書軒】從細菌、人類到巨象,我們都在同一棵樹上:《纏結的演化樹》

我們地球上所有生命都源自一個共同的祖先,完全沒有任何例外。如果你發現有,請趕快告訴我,我們一起發大財!

最重要的證據之一,就是我們幾乎全都使用同一套遺傳密碼,從大象、鯨魚到細菌、酵母菌都不例外,導致我們可以用基因改造的方式,讓細菌製造人類的蛋白質。嗯,先別感到害怕,治療第一型糖尿病患者的胰島素,就是這樣大量生產的。

然而,遺傳密碼也非全部放諸四海皆準,不同真核生物細胞中的粒線體和一些細菌的遺傳密碼,就和大多數標準的有些微差異。如果現在地表上所有生物不是來自一個共同的祖先,遺傳密碼的規則沒有必要幾乎完全統一,如果這種統一性是來自一個全知全能的超自然力量規範的,也不會有少數意外產生的例外吧?全地球的生命,就這樣可以畫出一棵枝葉茂盛的巨樹!但故事還沒結束,我們現在更是知道,這棵樹的枝條並非涇渭分明,而是非常纏結的!

這本《纏結的演化樹:分子生物學如何翻新了演化論》(The Tangled Tree: A Radical New History of Life)很好地講述了分子生物學的知識,如何讓演化生物學家進一步認識到生命的複雜性。《纏結的演化樹》作者大衛.逵曼(David Quammen) 在《下一場人類大瘟疫:跨物種傳染病侵襲人類的致命接觸》(Spillover: Animal Infections and the Next Human Pandemic)就記錄了多個可能會造成人類大瘟疫的人畜共通傳染病,這將近三年把全球搞得翻天覆地的嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19) 疫情,就像書中內容的現實翻版,逵曼簡直就是先知。

纏結的演化樹》除了記錄了演化生物學家如何發現了比傳統生物學認識的五界(動物界、植物界、真菌界、原生生物界與原核生物界)更複雜的三域(細菌、古菌、真核生物),以及演化樹原來有多麼盤根錯節,還讓我們深入了解充滿活力的科學家社群,尤其是以渥易斯(Carl Woese,1928─2012 )這位大師為主線。

老實說,我拿到這本《纏結的演化樹》時,不禁為這本書的厚度嘆了口氣,心想逵曼也太囉嗦了吧?一讀之下,幾乎是一氣呵成讀完的,因為他的科普功力果然不凡,能夠透過關注重大發現背後的人物來連貫地帶出其中的科學精要。

纏結的演化樹》首先介紹了生命之樹的形象,這要追溯到達爾文(Charles R. Darwin,1809─1882)筆記中最有名的圖,旁邊寫著「我認為⋯⋯」。在他的一本筆記本中勾勒出一棵細長的生命之樹──棒狀的樹幹長出了四組枝條。 這幅圖展示了對當時人們來說很激進的想法,即隨著時間的推移,生物會發生變化,從而產生新的物種。

逵曼描述了生命之樹是如何從古代和中世紀思想中的梯子到天堂的形象,演變成達爾文分支向上生長的樹的。然而,隨著愈來愈多的新發現出爐,達爾文的樹形像不再是生命的精確隱喻,新的生命之樹最終看起來更像一張錯綜複雜的巨大網,而不是一棵向上延伸的樹。

這在古菌的發現後,改變了很多對生命早期演化的理解。因為微生物的分類極其困難,科學家一度只能研究能夠在實驗室中培養的細菌,那些在極境中的古菌長期被忽略。原本古菌被認為是生活在溫泉、鹽湖之類極端環境的嗜極生物,但近來發現它們的棲息地其實十分廣泛,從土壤、海洋、到河流濕地,以及人類的大腸、口腔、與皮膚之中。

要不是分子生物學方法上的突破,我們可能現在都難以察覺古菌的存在,甚至在剛發現古菌原來和細菌有非常多的重大差異時,還誤以為在極端環境中生存的古菌遠比細菌更古老,而命名他們為「古」菌,但我們現在知道真實狀況其實複雜得太多。現在更多研究顯示,真核生物應徹頭徹尾地屬於古菌域。

接著,利用研究各種生物的三大類分子──DNA、RNA 和一些蛋白質,分子生物學的方法更加確定了,原來真核生物細胞中的粒線體,以及藻類、植物細胞中還帶有的葉綠體及其他色素體,原來前身是細菌!我們基本上是讓細菌在細胞內共生的古菌演化而來的!進一步研究還發現,粒線體、葉綠體等色素體不僅還保有前身細菌身份時的一部分DNA,它們大部分基因,都轉移到了宿主基因體中。

科學家們還開始發現,生物不僅能垂直遺傳(基因從父母垂直傳遞給後代),大量研究已經一而再、再而三發現,基因也能夠跨越物種邊界作水平跳躍。尤其在定序技測愈來愈方便和廉價後,我們還發現,原來交換基因不僅發生在原核生物如細菌和古菌,還發生在真核生物甚至多細胞的動植物基因體中!這也模糊了物種之間的界線。原來生物物種之間不僅會分化,還會某個程度上融合。

很多反對基因作物人士的主張之一,就是基因交換是不自然的!然而,我們早就知道這絕非事實,自然界中的水平基因交換,可能甚至比我們已知的還多。一些多重抗藥的超級細菌例如抗藥性金黃色葡萄球菌(MRSA),基本上就是藉著自然發生的抗抗生素基因交換而造就的「拼裝車」;另外,我們人類的基因體,有多達8%的DNA,其實是來自感染了我們祖先生殖細胞的反轉錄病毒。

纏結的演化樹》對這些硬科學概念的語言進行了雕琢,使我們所有人都能理解。憑藉逵曼嫻熟的講故事能力,圍繞著才華橫溢、時而粗暴好鬥、命運多舛的科學家渥易斯,編織了整個對生命之樹全新認識的旅程。 他是美國微生物學家,是古菌——生命的第三域的發現者。

渥易斯受到克里克(Francis Crick,1916─2004)、鮑林(Linus Pauling,1901–1994)等等科學大師富有遠見的思想的啟發,致力於分子親緣關係樹的研究。1960年代和1970年代,在DNA定序技術普遍被大規模使用之前,他在美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校的實驗室,就開發並改進了從核醣體RNA分子中獲取序列資訊的技術。

這些從不同的微生物中精心獲得的序列,可以用作分子時鐘,來推斷生物之間以及的關係。他和學生發現了原來有不同於細胞的古菌,起初被科學社群質疑和忽視,在接下來的二十年裡,隨著分子定序變得更容易和更便宜產生了更多研究,讓渥易斯的「三域」樹——包括古菌、細菌和真核生物,成了生物學教科書中標準答案,雖然近年又發現真核生物其實並不特殊到可以獨立成為一個域,而是古菌的一個分支而已。

纏結的演化樹》帶我們進入渥易斯的實驗室,讓我們了解他那些突破性的研究,並採訪的許多其他與他相關的科學家。書中有提到超過百位科學家,之間有複雜的師徒傳承和互相學習及合作。逵曼讓我們理解科學家們非常人性化的多面向,並揭示了大師之間的恩怨,認識到科學,其實是一種不完美的、高度社會化的活動。雖然乍看之下,提出內共生理論的特立獨行的演化生物學大師馬古利斯(Lynn Margulis,1938–2011)和渥易斯似乎該惺惺相惜,可是他們反而算是死對頭。

渥易斯從未得到他認為自己應得的認可——儘管獲得了麥克阿瑟「天才獎」和國家科學獎章以及其他著名獎項,但他從未獲得過科學界最高榮譽的諾貝爾獎。他在晚年時變得孤獨和不滿,似乎對達爾文本人懷有特別的怨恨,認為後者獲得太多不該屬於他的榮耀。

沒錯,現在的大量發現確實改寫了達爾文的一些觀點,可是那些分子生物學技術都是在達爾文逝世百年後才發明的,任何用達爾文之後出現的知識來責怪、貶低達爾文的言論,無疑全都是無的放矢,我也懷疑渥易斯回到達爾文的年代,讓他搭上小獵犬號,他就能提出等同於達爾文的遠見,罔論他還能得知古菌的存在以及生命之樹原來是巨大的網!

纏結的演化樹》揭示了重大的演化理論是如何誕生、演進的,並且刻畫了參與其中的科學家鮮為人知的多面,是所有關心科學研究和發展的朋友值得一讀的好書!

※專欄內容為作家個人創作,不代表本站立場

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