生命科學概論

第一章生命之形成

第一節生命的起源

緒論

自然科學中可以分為物質科學和生命科學，物質科學中介紹的是物理學、化學、天文學與地球科學等，這些都是宇宙自然的基本原理，它可以說放諸四海而皆準，俟之百代而不惑的道理。但是這些基本概念，是以物質、物體為中心，並未涉及生命（life）。生命科學（life sciences）是以科學的方法來探討與生命有關的各種事實與現象，並希望瞭解生命的基本原理與概念。

在我們的生活環境當中，我們看到許多有生命的東西，例如蟲魚鳥獸、花草樹木，有的我們稱之為動物（animals），例如蟲、魚、飛鳥、走獸之類（圖1-1），有的稱為植物（plants），例如稻、麥、高梁、甘蔗、玉米、梅、蘭、菊、竹之類（圖1-2）。有的個體很小稱為微生物（microorganisms），如細菌、真菌、藻類、原生蟲、病毒體等（圖1-3）。這些都是有生命的東西，所以稱之為生物（living things）。而沒有生命的東西，如礦物、沙石、空氣、水等稱為無生物（nonliving things）。

生物和無生物看起來很容易區別，因為生物生機活潑，具有生命，無生物則毫無感覺（圖1- 4）。但是有時候也相當混淆，不易區分，尤其是牽涉到生命力的時候，則區別還真不易。例如已知最小的微生物叫病毒（virus），在所寄生的生物體外時，它是不活動的結晶體（圖1- 5），也就是一些特殊的化學成分，依相當嚴謹的物理排列所形成的個體，沒有生命的特徵，與無生物一樣。但是當它進入寄主細胞時，它會用寄生細胞的酵素系統（或稱脢，enzyme system），幫助它存活與繁殖，也會有遺傳基因的突變和重組，這時顯現出完整的生命特徵，所以它是生物。病毒只是一個例子，有許多情形，有生命與無生命之間的區別，不是那麼明確而易見的。

人體身上的微生物

生命的特徵

那麼，「生命的特徵是什麼」？有些什麼特殊的性質才可以說一個物體是有生命呢？所有的生物都有下列共同的特徵：特殊的組織（specific organization）、感應性（irritability）、運動（movement）、代謝（metabolism）、生長（growth）、生殖（reproduction）和適應（adaptation）等。

（一）特殊的組織
生命的最小單位稱為細胞（cell）。任何生物，它都有一定的外貌，也就是大小、形狀、構造而這些大小、形狀、構造都是由不同的細胞所組織起來的。細胞是很特別的個體，有不同的形狀和功能，一些低等生物是由單一細胞組成的，例如細菌、酵母菌等。還有很多生物是由多細胞組成的，例如人類、植物，整個生物體便是所有細胞之協調整合出有機能的個體，這些高等生物是由幾千萬、幾兆萬的細胞所組成的。每種細胞都有其一定可辨認的大小、形狀，具有質膜（plasma membrane），可將其細胞內的物質與外邊環境分離。內有細胞核（nucleus），為細胞之主宰，核內有控制生命的遺傳物質—基因(Gene)，為一切生命現象最原始的動力。有些簡單的生物，如細菌，細胞內並無具有膜圍起的小胞器（organelles），這時候細胞沒有核膜後，就沒有定型的細胞核了。高等動植物由細胞組成組織（tissues），不同的組織又組成器官（organs）、不同的器官又組成系統（organ system），最後形成個體，例如人類的呼吸系統便是由鼻子、氣管、肺、橫隔膜等組成，而每個器官就有不同組織。這些體制是非常嚴謹與整合的，這樣生物才會有效率地運作（圖1- 6，圖1-7）。

（二）感應性
生物對外界的刺激與變化的反應極其敏感，如物理的或者是化學的刺激，舉例而言，人對熱度、濕度的提高便有敏感的反應。一般引起生物反應的刺激有光（包括其強度、波長、方向）、溫度、壓力、聲音等。而對化學成分的反應也極其靈敏，高等生物有些細胞還特別分化（differentiation）成不同的細胞，以分別感應各種不同的刺激，例如眼球視網膜上之桿狀細胞及錐狀細胞，就是專門對光有感應的，鼻腔內黏膜細胞和舌上的味蕾對化學剌激有特別的感應。生物的感應性是非常靈敏的，其靈敏度常精確到不可思議的地步。有些物理或化學變化，常常在機器、儀器都無法測出來的時候，生物的感應已經明顯的感應出來了，這種例子很多，例如嗅覺，抗體的反應等。

鹿聽音樂

（三）運動
高等動物的運動都靠肌肉作用，較低等的動物如海綿、珊瑚、水螅、牡蠣及一些寄生蟲，則靠絨毛（cilia）或鞭毛（flagella）來運動（圖1- 8-1）

（圖1- 8-2）。微小的細菌也靠鞭毛或其他的機制來運動，植物的運動比較不顯著，但是植物細胞一樣有運動的特徵，例如向日葵的向日移動，不過這些植物的運動和感應是一起的（圖1- 9-1） (圖1-9-2），有些植物如銀杏、蘇鐵、蕨類等，他們是具有精子的，會像動物的精子一樣游向胚珠。

（四）新陳代謝
生物至高特性之一便是能吸收與分解各種化合物、合成複雜的物質，經過多方向的化學變化以形成新的細胞（新陳，anabolism）。並使存在於分子內之位能轉變為動能和熱量，方可將已形成之複雜的物質，例如蛋白質、脂肪、醣類和核酸等一步一步地分解，產生能量和簡單的物質（代謝，catabolism）。這兩種作用密切的結合在一起，稱為新陳代謝（metabolism），從而構成動態的生命現象。事實上所有的生命現象便是靠新陳代謝而彰顯出來，無生物絕不可能有新陳代謝的。

（五）生長
人類從初生時幾公斤的體，成年後有幾十公斤，甚至幾百公斤，這便是生長。生物的生長，因生物體質量的增加，可由細胞本體的增大，也可由細胞數目的增多。對於微生物而言，因為每個細胞雖然也會從小長到大，不過大小之間差別並非如動物一樣大，所以微生物的生長有時候是指他們個體數目的增加，例如在澄清的肉湯因為細菌的生長而變得混濁，那就是因為細菌數目的增加。測量生長是生命科學重要的一環。

（六）生殖
生物會繁殖後代，細胞會分裂為二，沒有新陳代謝，生物不能稱為<活的>，沒有生殖，<活的>生物也不能活到下一代。生殖能將原有之種族特性維持下去（species conservation）。生殖的過程因各種生物不同，由細菌的分裂生殖（binary fission）到高等生物的卵與精子之彼此結合成為受精卵，或在其他生物中稱為結合子（zygotes）。受精卵然後再分化發育，這是生物之極為精采的部份。

（七）適應
生物有高度的適應能力，生物當感應到外界的變化時，從細胞、器官和個體都可能產生對應的變化，來適應環境。透過生物的突變（mutation）和適應環境過程中所產生的篩選，因而產生了生物的演化，那就是大家所瞭解的天擇（natural selection）。因此生物能變化形性以配合所屬的環境，但是限制生物分佈的因子很多，如水、光、溫度、食物其他生物種種，而沒有一種生物能適應所有的環境。所以生物因地區不同而有顯著差異（圖1- 10）。同樣地，太陽系之星球中，至今為止只知地球有生物存在。原因無它，因為限制生物生存的因子很多，只有地球適合生物之演化。

自然生成學說（Spontaneous Generation Theory）

無論看得到或者微小到看不到，我們對於現存的生物的特徵是很容易瞭解的，我們要問的是：生命是如何形成的？怎樣才能形成有上述特徵的個體？推測生命形成最合理的機制之前，讓我們先瞭解一下，長期以來古人對生命形成觀念上的辯論。早在希臘時期，人們相信生物是由無生物經過分解腐敗而後自然生出來的，尤其他們以腐肉生成蛆為例子，也以青蛙在田間出現是因為適當的氣候條件所致。尤其自1675年賴文虎（Antonie Van Leuwenhoek）（圖1- 11）發現細菌以來，他們以肉汁會有細菌滋生，更是深信這種生命是自然生成的。這便是所謂自然生成學說（Spontaneous Generation Theory）。人們對此深信不疑，包括大哲學家、甚至十八世紀初期的一部份科學家。其實當時東西方的想法是相同的，我們說「物必先腐而後蟲生」便是指腐敗的肉中會生出蛆蟲，觀念相似。西遊記描述孫悟空的誕生就是一種自然生成生命的觀念。

有許多熱心的科學家包括Lazaro Spallanzani（1729—1799）、Franz Schulze（1815—1873）、Theodor Schwann（1810—1882）（圖1- 12）、John Thydall、Louis Pasteur（巴斯德，1822一1895）（圖1- 13）等人的共同努力，終於把自然生成的學說推翻。
但是巴士德學所推翻的只是肉汁中的細菌不是自然生成的，肉汁腐敗乃因為空氣中的細菌進入而腐敗發酵的，巴士德的貢獻乃在於說明細菌的作用（圖1- 14）。而對真正的生命是如何形成，並沒有提出答案。生命也許不會在我們現在地球的情況下發生，但是它可能在幾十億年前發生，因為那時的空氣與海洋與現在截然不同，生命極可能自然地發生。

生命的起源之推想

那麼生命究竟是怎樣來的？這有許多不同的假設，有的說生物原來就有的，即於地球被形成的同時便存在的。但是這種說法與天文學家和地質學家的發現並不符合。因為地球形成約五十億年前，但是生物的起源，最早的藍綠藻化石，僅在三十億年左右，因此至少有廿億年的期間，地球沒有生物的存在。也有一種說法，說生物是其他星球來的，隨著流星、隕石或其他方式來到地球。這種說法也很有問題，因為它只是將生命推到別的星球，對生命之形成仍沒有回答。再說太空中運行，其間環境如溫度的變化、輻射及大氣種種條件並不適於攜帶現在的生命形式。那麼生命必然在地球上發生的，根據地質學、天文學之研究發現，及生物學、化學等之發現，我們推測生命形成的過程是如此的。

混沌初開、乾坤始奠
大約五十億年前，剛剛形成的地球是一個混混沌沌的熾熱熔體。所含有的種種元素（我們在這過程裡不能再追問這些元素是怎樣來的，我們必須接受元素是地球形成時就有的），不斷組合、分解、再組合。以後地球的岩石礦物慢慢的冷凝下來，許多元素原來是以原子狀態游離存在的，當溫度降低至各原子間可以形成穩定的化學鍵時，漸漸的形成了分子和化合物。例如氧和氫化合成水H2O，氮和氫化合成氨NH3，，但是那時的氧和氮並非游離的氣體，而是還原形態的化合物。但是由於日光，紫外線能夠充份的達到地面，且空中有放電的電能及放射性元素衰變時所發出的輻射能，大氣中具有充沛的能源。這些能量使大氣中、地球上的物質發生很多化學作用，使得氧氣和氮氣逸出大氣，同時使甲烷（CH4）、氨、水、氮等氣體發生化學組合作用，而形成了簡單約有機分子。

簡單的有機分子又逐步構成複雜的有機分子，而這複雜的有機分子，更進一步的組成了有獨特性質的分子系列，當這些獨特性質能夠自己能複製（self- reproducing）自己的，也就是能夠利用周圍環境的物質而製造與本身構造相似的分子—這就是生命的雛型，也是最初生命的開始，當然這經過時數億年的演變而成。

這種生命物質形成的推想是有相當的證據的，至少它有下述三個實驗可以輔證上述的說法：

（1）Harold.Urey和Stanley Miller：將甲烷、氨、氫與水汽（模倣地球初期的大氣成份），在一特殊的裝置裏，作強力放電的處理，結果發現產生了胺基酸分子（amino acid），胺基酸是蛋白質的組成單體。

（2）Sidney W. Fox等：將18—20種的胺基酸，混合加熱到熔點，可以製造有蛋白質特徵的錐狀構造。把氨基酸組合一起就成為蛋白質，而蛋白質就是生物中重要的組成份。

（3）Melvin Calvin等：以珈瑪射線（γ—ray）作用於模擬地球初期的大氣成分，結果發現產生了嘧啶（pyrimidines）和嘌呤（purines）等屬於核酸的物質，而嘌呤和嘧啶是遺傳基因的主要成分。
所以將這些蛋白質、嘌呤類、嘧啶類以及其他約有機物質，互相結合而形成一個能自己複製的構造—原始生命。

此類能夠自己複製的分子系是什麼呢？由於有嘌呤和嘧啶分子的存在，和生物化學中去氧糖核酸（Deoxyribonucleic acid, DNA），核糖核酸（Ribonucleic acid., RNA）的分子相類似。到目前為止，也只有這兩類分子能夠自行複製，因為遺傳學家已經證明這些是遺傳的基本物質，所以從這點就可以知道它是原始生命了。這些原始生命，可能乍生乍息，其間可能經歷過無數次的產生與解體，但是也許在某種情況之下，某種形式的生命系統，終於保存了下來。而這最初的生命系統和今日存在的生物濾過性病毒（viruses）極其類似。因為簡單的病毒，外邊是一層蛋白質，內部為核酸，它的構造完美、穩定並且具有自己複製的能力。當然這種論說不是沒有不妥之處，至少到目前為止並不能夠以這種方法真正製造成原始的生命，但是這總是在目前的證據之下的合理推測，因為終究我們不可能複製地球當初的情境。今日我們的濾過性病毒，必須寄生在其他生物中，利用寄主細胞中的酵素，以進行其生長、繁殖等生理機能。在生命最初形成時，這原始生命如何得到可以自行繁殖的酵素系統呢？，這些仍是未解決的問題。我們從許多證據可以發現，其演化的過程可能就是依照下列的過程的：

（1）由無氧而有氧：最初的生命並不需氧的存在而生活，目前地球大氣中氧氣的主要來源有二，一是大氣中的水汽受到紫外線的作用而發生光解離（photodissociation），二是綠色植物光合作用所產生的。因為光合作用不可能早於細胞的出現，因而早期的細胞可能並不需要氧來生活，所以演化的過程一定是從無氧而到有氧。

（2）由無機而有機：前面所說明的實驗便是證明，生命的形成便是由無機到有機的例證。

（3）由異營（heterotrophy）到自營（autotrophy）：首先的生物是靠外面的有機物質以進行生長及繁殖，由於地球上的情勢發生理化，有機物質逐漸耗用殆盡，生命陷於困境，新的自養性生命才應運而生，自養就是自行製造有機物，例如光合作用。

由於原始生命物體的形成，當然經過演化，而最早的生物化石為具有細胞構造的藍綠藻類與細菌，由於這類生物細胞，構造極其簡單，沒有細胞核，DNA股索在細胞質中排列為線狀，細胞分裂時，沒有紡綞體發生，細胞質中各部份也沒有顯著的分工現象。有些有葉綠素，可以行光合作用，製造食物。由於生命細胞的演化，向分工和特化兩個方向前進，慢慢複雜的演化而形成了今日複雜的生命世界。現在我們暫且把生命形成後的演化部份不談，先回頭來看細胞的基本物質和構造，及基本的生命現象把這些現象稍為清楚的概念後，再來談演化的問題，也許對這多彩多姿的生命世界會有更深一層的認識。

　