第一章　地球上「亂撞」的能量如何被生命「收服」

一、生命「收服」原始地球上到處亂撞的能量

　　在46億年前，熾熱的原始地球在宇宙塵埃的餘燼中逐漸形成，並慢慢冷卻形成堅硬的外殼。外殼不斷地被撕裂又閉合，岩漿從地底深處帶來的濃煙籠罩大地，而彗星這樣的宇宙流浪者為地球帶來了最早的水。在這個表面被沸騰的海洋覆蓋、終日電閃雷鳴、飽受火山噴發和隕石雨摧殘的地球上，生命開始了漫長的旅程。當時的地球，能量就像一個精力無限、叛逆無比的孩子，渾身是勁、恣意妄為。

　　從能量的角度認識生命，生命是一種典型的「叛逆者」。在面對四維空間熵增的能量規律時，生命選擇了對抗，生命想方設法地透過讓自己熵減來收服亂撞的熵增能量。

　　生命收服橫衝亂撞的能量是從化合物開始的。利用化合物，先將狂亂的能量集中形成一個個能量密集的小能量包，再以這些小能量包為基本單位，透過複雜的排列組合，生成一個個大的能量塊，最後再透過有效的分工和合作，將這些大能量塊與小能量包有機組織在一起而形成了最基本的能量體──單細胞生命。而複雜的多細胞生命的產生原理與上述「小能量包—能量塊—能量體」的構建模式相同，是以細胞這個能量體作為基本單位，透過有機地排列組合與分工合作構建在一起而形成的大能量系統。就這樣，生命透過「小能量包—能量塊—能量體—大能量系統」的模式，成功地將地球上橫衝直撞的熵增能量收服到自己麾下，變為順服的熵減能量體系──生命就此產生。

　　上面的文字好像科幻小說一樣撲朔迷離，且很難有直接的真實證據進行驗證，但在實驗室環境下，科學家已經讓其中的不少過程得以模擬實現。

二、「從亂撞的能量到小能量包」──能量被有機小分子收服

　　1824年，德國化學家弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler）在實驗室開始了一項新研究，他試圖合成一種名為氰酸銨的化學物質。為此，他將氰酸和氨水──兩種天然存在的物質──混合在一起加熱蒸餾，然後分析燒瓶裡是否出現了他希望得到的新物質。但他發現，反應結束後留在燒瓶底部的白色晶體並不是氰酸銨，而是尿素。

　　NH3（氨）+HNCO（氰酸）→[NH4NCO]（氰酸銨）→NH2CONH2（尿素）（這種白色晶體成分直到1828年才被弗里德里希·維勒確認，這是人類第一次完全不依靠生物體合成出生物體產生的物質，其實，時至今日，我們仍然不清楚為何氰酸銨會自發重排成為尿素）。弗里德里希·維勒的實驗不但第一次證明了生物體產生的物質完全可以直接利用天然存在的物質簡單方便地製造出來，而且也使人們意識到：很有可能，在那個能量到處亂撞的原始地球上，能量的供應為組成生命的物質的產生創造了條件，同時伴隨著組成生命的化合物的合成，亂撞的能量也被這些物質收納馴服，成為一個個有機分子形式的、可進一步利用的小能量包。

　　真的有這種可能嗎？原始地球上的物質和能量條件真的能創造出組成生命的物質嗎？大名鼎鼎的米勒-尤里實驗（Miller-Urey experiment）給出了答案。

　　1952年，美國芝加哥大學的博士新生史丹利·米勒（Stanley Miller）說服了自己的導師──諾貝爾化學獎獲得者哈羅德·尤里（Harold Clayton Urey），設計了一個即便在今天看來也有點科幻色彩的實驗：米勒的野心是在小小的實驗室裡模擬原始地球的環境（包括原始地球的能量氛圍和物質條件），看看在那種環境裡，構成生命的物質能否從無到有地自然產生。根據當時人們對原始地球環境的猜測，米勒搭建了一個略顯簡陋的實驗裝置。

　　他在一個大燒瓶裡裝上水，點上酒精燈不斷加熱，模擬沸騰的海洋。他還在裝置裡通入氫氣、甲烷和氨氣，模擬原始狀態的地球大氣。米勒還在燒瓶裡不斷點燃電火花，模擬遠古地球大氣的閃電（代表原始地球上不羈的能量狀態）。實驗的真實情景是在酒精燈的炙烤下，「海水」不斷蒸騰，濃密的水蒸氣升入「大氣」，形成厚厚的雲層，濃雲中電閃雷鳴，暴雨傾盆，又在不斷攪動沸騰的「海洋」。這套簡單的裝置，可以說是米勒對原始地球環境的一種非常簡單、粗糙的還原。短短一天之後，某些奇怪的事情就發生了──燒瓶裡的水不再清澄，而是變成了淡淡的粉紅色，這說明有某些全新的物質生成了。一週之後，米勒停止加熱，關掉電源，從燒瓶裡取出「海水」進行分析，結果「海水」中出現了許多全新的化學物質，甚至包括5種胺基酸分子！眾所周知，胺基酸是構成蛋白質大分子的基本單位。地球上所有生命體中的蛋白質分子都是由20種胺基酸分子排列組合而成的。蛋白質是組成地球生命的重要物質，人體內蛋白質分子占體重的20%，是占比最多的有機物，不僅如此，在人體的每一個細胞裡，都有超過10億個蛋白質分子驅動著幾乎全部生命所需的化學反應，說胺基酸分子是構成地球生命的基石，一點也不為過。

　　米勒只需要短短一週，就在一個容量不過幾升的瓶子裡將激盪的電火花和翻湧的「海洋」中的能量收入有機小分子能量包中，製造出了胺基酸，那麼在幾十億年前的浩瀚原始海洋裡，在數千萬年甚至上億年的時間尺度裡，從無到有地構造出生命現象蘊含的全部化學反應，製造出生命所需的所有物質，乃至創造出生命本身，是不是就不是那麼難以想像呢？地球從一個能量衝撞激盪的無序狀態慢慢被收納入有機分子中，最終約束在有序的生命體系內，是不是就變得容易理解了？

　　當然，用今天的眼光看，米勒-尤里實驗的設計和解讀是有不少缺憾和問題的。在2007年米勒去世後，他的學生仔細分析了1950年代留下的燒瓶樣本，證明其中含有的胺基酸種類要遠多於最初發現的5種──甚至可能多至30-40種。這一發現更強有力地說明了製造構成地球生命的物質並非一件很困難的事情。但是另一方面，今天的研究者傾向於認為早期地球大氣根本沒有多少氨氣、甲烷和氫氣，反而是二氧化硫、硫化氫、二氧化碳和氮氣更多，因此米勒-尤里實驗的基本假設是錯誤的。當然，後來的科學家（包括米勒的學生）也證明了即便是在這樣的條件下，只需要加一些限定，仍然可以很快地製造出胺基酸。

　　製造出小分子有機物能量包只是收服原始地球亂撞能量的第一步，後續還會按照「亂撞的能量—小能量包—能量塊—能量體—大能量系統」的能量收服模式演進嗎？請拭目以待。

三、「從小能量包到能量塊」──能量被有機大分子收服

　　前文已經提到，蛋白質大分子是生命現象最重要的動力，是絕大多數生物化學反應的指揮官。它們一般由少則幾十個，多則幾千個胺基酸分子按照特定的順序首尾相連而成。這條胺基酸長鏈在細胞內折疊扭曲，像繞線團一樣，形成複雜的三維立體結構。蛋白質分子就像精密設計的微型分子機器，它們的功能往往依賴這種特別的三維結構。在一個蛋白質分子中，哪怕一個胺基酸裝配錯誤、一丁點三維結構變形，都可能徹底毀掉這臺分子機器。在今天的實驗室裡，我們已經可以利用化學合成的方法，以20種胺基酸單體為原料，組裝出這樣的精密分子機器。中國科學家人工合成牛胰島素的工作就是一個很好的例子。牛胰島素是一個由51個胺基酸、2條胺基酸鏈組合而成的蛋白質分子。如今我們利用機器可以完成這項任務，與此同時，我們也可以用更巧妙的方法，讓細菌或者其他微生物來幫助我們大量生產想要的蛋白質分子。

　　除了蛋白質大分子，DNA（Deoxyribonucleic Acid，去氧核醣核酸）也是組成生物體重要的大分子物質，它是地球上絕大多數生命體用來儲存遺傳資訊的物質。不管是直徑只有幾微米（micrometer，㎛）的細菌，還是人體內上百萬億個細胞，在這些細胞的深處都珍藏著一組DNA分子。對於每一個細胞而言，DNA分子代表著來自祖先的遺傳印記，也決定了它自己的獨特性狀。和蛋白質分子類似，DNA也是由許多個單體分子首尾相連形成的鏈條。但是作為遺傳資訊的載體，DNA分子的化學性質其實比蛋白質分子更簡單。它的組成單元只有區區4種核苷酸分子。而且和蛋白質不同，DNA的結構可以看作是一維線性的：4種核苷酸分子的排列順序形成了某種「密碼」，記載著決定生物體性狀的資訊──從豌豆的花色到人類的身高、智力和相貌。我們現在已經可以用化學合成的方法組裝出一段DNA分子，或者動用天然存在的DNA複製機器──DNA聚合酶──組裝DNA分子。在美國科學家克雷格·文特爾（Craig Venter）的實驗室裡，人們甚至已經可以合成一種微生物（絲狀支原體）的整套DNA，並用這段長達107萬個核苷酸分子的環形DNA徹底替代了絲狀支原體（mycoplasma）原本的遺傳物質。而如果僅僅考慮合成DNA的長度，人類還可以走得更遠。例如，2017年年初，美國哥倫比亞大學的科學家人工合成了總長度達到1,440萬個核苷酸分子的DNA鏈，並且利用DNA編碼規則，在裡面儲存了一整套電腦操作系統和一部法國電影。

第一章　地球上「亂撞」的能量如何被生命「收服」

一、生命「收服」原始地球上到處亂撞的能量

　　在46億年前，熾熱的原始地球在宇宙塵埃的餘燼中逐漸形成，並慢慢冷卻形成堅硬的外殼。外殼不斷地被撕裂又閉合，岩漿從地底深處帶來的濃煙籠罩大地，而彗星這樣的宇宙流浪者為地球帶來了最早的水。在這個表面被沸騰的海洋覆蓋、終日電閃雷鳴、飽受火山噴發和隕石雨摧殘的地球上，生命開始了漫長的旅程。當時的地球，能量就像一個精力無限、叛逆無比的孩子，渾身是勁、恣意妄為。

　　從能量的角度認識生命，生命是一種典型的「叛逆者」。...

序言

　　這本書是我們師徒三人合作的作品，林祖榮老師是我和趙奐的指導教授。我們三個人都是中學的生物老師。

　　「生物學」教學於我們而言，並非單純工作那麼簡單，在生物學的學習和教授過程中，其博大的方法與思想、精謹的邏輯與系統、深廣的內涵與外延，無時無刻不在影響著我們的思維，使我們在生物學的海洋中暢遊時驚喜不斷、收穫連連；使我們面對紛繁複雜的世界時能夠從容不迫、鮮疑少惑。

　　正是因為我們對生物學的喜愛，也是因為我們對生物學教學的喜歡，更是因為我們希望透過努力將這份生物學中的美妙帶給更多的孩子，所以我們決定編寫一本既有趣又適合中學生嚴肅閱讀的書籍。基於這種想法，就有了你手中的這本書。

　　你手中這本有關生物學的書籍是有趣的，與只是知識概念羅列的課本相比，這本書不但告訴你「其然」，還會告訴你「其所以然」，讓你從死板的概念中跳脫出來，每一個概念的來龍去脈、每一個知識的前因後果都躍然紙上，讓你在不知不覺的「好玩」過程中理解生物學的本真。

　　你手中這本有關生物學的書籍是嚴肅的，其中的每一個生物學概念、思想、方法都是經歷了很多學者細緻嚴謹的科學研究而獲得的。身為編寫者的我們並不是這些科學結論的研究者，我們能承諾給大家的是書中的每一個知識都有更為專業的生物學研究作為保障，也有更為專業的生物學專著或論文作為根據，有興趣的同學可以進行更為專業且深入的閱讀。

　　本書的編寫首先要感謝的是學習生物學的同學們，正是你們的需求給予了我們靈感，正是你們的勤奮給予了我們動力；接下來要感謝的是和我們一樣熱愛生物學的生物組老師們，與你們並肩作戰是一種榮幸和幸福；再要感謝的是為本書的編寫提供了資料的生物學專業研究者們，我們只是站在巨人的肩膀上做了一件力所能及的事情，在編寫期間，我們有幸聯繫上了王立銘教授和朱欽士教授，他們的慷慨令我們感動不已，還有更多我們沒有聯繫到的研究者，在此一併表示感謝；還要感謝我們任教的實驗中學，是這個和睦的大家庭讓我們師徒三人有機會相遇、相知……此書的完成需要感謝的人太多，難免掛一漏萬，在此向所有幫助過我們的人表達我們的敬意。

　　由於能力有限，書中難免有疏漏之處，歡迎大家交流、指正。

張超

序言

　　這本書是我們師徒三人合作的作品，林祖榮老師是我和趙奐的指導教授。我們三個人都是中學的生物老師。

　　「生物學」教學於我們而言，並非單純工作那麼簡單，在生物學的學習和教授過程中，其博大的方法與思想、精謹的邏輯與系統、深廣的內涵與外延，無時無刻不在影響著我們的思維，使我們在生物學的海洋中暢遊時驚喜不斷、收穫連連；使我們面對紛繁複雜的世界時能夠從容不迫、鮮疑少惑。

　　正是因為我們對生物學的喜愛，也是因為我們對生物學教學的喜歡，更是因為我們希望透過努力將這份生物學中的美妙帶給更多的孩子，所以...

序言

演化：生命永恆的主題

第一章　地球上「亂撞」的能量如何被生命「收服」
　　一、生命「收服」原始地球上到處亂撞的能量
　　二、「從亂撞的能量到小能量包」──能量被有機小分子收服
　　三、「從小能量包到能量塊」──能量被有機大分子收服
　　四、「從大分子能量塊到細胞能量體、多細胞能量系統」──能量被有機生命體收服
　　
第二章　從RNA到真核生物的演化
　　一、生命的特質──自我複製與資訊儲存
　　二、「原始生命推理版」──RNA
　　三、從生命乍現到神通廣大的原核生物
　　四、真核生物的出現
　　
第三章　生命資訊處理能力的演化史
　　一、宏觀層次：生命對環境中繁複資訊的有效應對策略
　　二、微觀層次：生命面對資訊的基本反應
　　三、細胞中蛋白質分子幫忙實現「訊號→資訊」的轉化
　　四、神經細胞是「學習」的基礎，蛋白質分子是「記憶」的源泉
　　
第四章　從「性」的發展歷史聊演化
　　一、從無性到有性
　　二、有性生殖的基礎──減數分裂
　　三、有性生殖中需要確保選擇的異性不是近親
　　四、「性別反轉人」的研究告訴我們真正決定性別的是基因
　　
第五章　從「人」的發展通史看演化
　　一、化石中講述的人類發展通史
　　二、「基因組」中講述的人類發展通史
　　
第六章　一直在演化的「演化論」
　　一、布豐、老達爾文還有拉馬克的「用進廢退」
　　二、達爾文的「自然選擇」與其開創的時代
　　三、自然選擇時代的新聲音──中性演化理論

序言

演化：生命永恆的主題

第一章　地球上「亂撞」的能量如何被生命「收服」
　　一、生命「收服」原始地球上到處亂撞的能量
　　二、「從亂撞的能量到小能量包」──能量被有機小分子收服
　　三、「從小能量包到能量塊」──能量被有機大分子收服
　　四、「從大分子能量塊到細胞能量體、多細胞能量系統」──能量被有機生命體收服
　　
第二章　從RNA到真核生物的演化
　　一、生命的特質──自我複製與資訊儲存
　　二、「原始生命推理版」──RNA
　　三、從生命乍現到神通廣大的原核生物
　　四、真核生物的出現
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