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生命如何創新:大自然的演化創新力從何而來?

Arrival of the Fittest: How Nature Innovates

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內容簡介

天擇也許能解釋「適者生存」,但無法解釋「適存者的到來」。
大師級科學家華格納提出「創新力法則」,揭開演化令人震驚的隱藏結構!


達爾文發表《物種起源》的百餘年後,始終存在耐人尋味的一道難題:
自然界中的「創新」究竟是如何發生的?


 一八五九年,達爾文發表《物種起源》,他的天擇理論解釋了有用的適應性如何隨時間被保存下來,但同時也製造了演化的最大疑問:「生物的適應性是怎麼出現的?」

 地球上第一個生命誕生至今,三十八億年間發生的隨機突變,真的可以為翅膀、眼球、偽裝、乳糖消化、光合作用,以及其他自然創造的驚奇負責嗎?假若答案是否定的,那麼演化的速度和相對效率背後的機制又是什麼呢?

 當年達爾文不知道什麼是突變、基因、DNA雙螺旋、轉錄與轉譯作用、DNA定序,也缺乏遺傳學、生物化學、分子生物學甚至處理大量資訊的知識和技術,但他早在一百六十年前提出的遠大洞見開啟了生物學百家爭鳴般的精采發現──如今,我們終於有能力朝「生物適應性的出現」這個巨大謎團靠近了!

 全球知名的演化生物學家安德里亞斯.華格納憑藉超過十五年的研究,呈現出達爾文理論遺失的拼圖。利用早期科學家意想不到的實驗性及計算性技術,他發現驅動適應的不只是偶然,而是一套法則,允許大自然在隨機變異上花費的小部分時間裡,發現新的分子與運作機制。

 一絲不苟地研究、仔細地論證、充滿感召力地寫作,並列舉了五花八門又迷人的實例,《生命如何創新》獻上生命豐富多樣性謎團的最後一片拼圖。

▍《金融時報》2015年度選書
▍清華大學生命科學系助理教授黃貞祥_策劃、審訂、導讀
▍臺灣大學生命科學系副教授丁照棣_專文推薦


▍同聲推薦
李文雄(中央研究院院士,生物多樣性研究中心特聘研究員)
林仲平(國立台灣師範大學生命科學系教授)
李壽先(國立台灣師範大學生命科學系教授)
蔡怡陞(生物多樣性研究中心助研究員)
鄭國威(PanSci泛科學總編輯)
顏聖紘(國立中山大學生物科學系副教授)

▍媒體書評
★ 華格納的書迷人而討喜,將使你對創新的謎團大開眼界。他的見解令你著迷又吃驚,並改變你思考的方式。
──《從叢林到文明,人類身體的演化和疾病的產生》作者 丹尼爾.李伯曼

★ 《生命如何創新》揭開演化令人震驚的隱藏結構。生物學家長久以來都沒有看到這個結構,但它終究讓達爾文偉大的想法得以存活,同時讓生命看起來比你所想的更加富裕非凡。達爾文應該會喜歡這本書,我想你也是。
──《自然》前編輯暨《自製的掛毯》作者 菲利普.鮑爾

★ 若有個主題比「才智的演化」更具爭議性,那就是「演化的才智」。安德里亞斯.華格納針對生物演化中由細節到總體的才智,提出一個引人入勝、有權威性而且最新的論點,這個論點也堅持住了。
──《圖靈的大教堂》作者 喬治.戴森

★ 安德里亞斯.華格納是少見有才智能看見演化真實本質的科學家,並有勇氣對抗用無神論否認事實的人,這些人和宗教狂熱者用相同的荒謬怒斥使達爾文沉默。
──《神經外科的黑色喜劇》作者 法蘭克.佛杜錫克

★ 華格納切進生命系統創新的核心,基本、有趣,而且卓越。
──《思考的藝術》作者 魯爾夫.杜伯里

★ 《生命如何創新》用閃爍的文學散文訴說嶄新的科學洞察。這本書是座里程碑,結合了獨創性或可能是革命性的想法,並優雅地解釋它們。特別是基因型網絡的概念(有數千種方法能改變代謝路徑而不會使它停止運作),允許能解決一道不朽的難題:天擇如何成為那股創新的力量。
──《紅色皇后》作者  麥特.瑞德里

★ 安德里亞斯.華格納的《生命如何創新》一書,優雅地探索一條精巧的捷徑,大自然用這條路來抵達看似不可能前往的地方。
──《週日泰晤士報》

★ 驚人的觀點、富有洞察力的光芒、巧妙的熱情,這本書從無機的頁面,將知識傳遞到我們有機的大腦。
──《科克斯書評》星級評論

★ 這本書對當今的研究有適宜的描述和清楚的分析,那些想更加了解演化機制的人將會深感有趣。
──《圖書館學刊》
 

作者介紹

作者簡介

安德里亞斯.華格納Andreas Wagner
瑞士蘇黎世大學演化生物學與環境研究所教授,美國聖塔菲研究所教授,同時是多個國際研究所的研究員,包括德國柏林高等研究院、法國高等科學研究院、美國科學促進會等,是全球探索演化如何創新的大師級科學家。現居瑞士蘇黎世。

譯者簡介

詹佳蓉
清華大學生命科學系畢業。

 

目錄

導讀   生命的穩健創新力/黃貞祥
前言   足夠的世界與時間
第一章  達爾文不知道的事
第二章  創新的起源
第三章  宇宙圖書館
第四章  井然有序的美
第五章  命令與控制
第六章  隱藏的結構
第七章  從自然到技術
結語   柏拉圖的地穴
致謝
註解
參考書目
延伸閱讀 遺傳變異與演化創新/丁照棣
 

【導讀】生命的穩健創新力
文/清華大學生命科學系助理教授 黃貞祥

 創新,是近年相當火紅的名詞!教授、官員、名嘴都能朗朗上口。
 他們告訴我們,國家經濟的成長需要創新、社會進步需要創新、生活品質提升也需要創新,但什麼是創新?一個存有的事物如果能夠源遠流長,不就代表歷經時間考驗的老東西更好用嗎?
 在我們的社會中,追求穩定和不變的保守分子,與追求變化和創意的創新分子,看起來是對立的。然而,一味求新求變,就不可能有足夠的積澱,也叫人無所適從,單單為了應付朝令夕改的政策就疲於奔命;可是以不變應萬變,故步自封、墨守成規,可能無法因應環境瞬息萬變的趨勢洪流。
 那究竟要如何取得平衡呢?關於這個大哉問,我們還是虛心向演化了幾十億年,歷經各種驚濤駭浪、龍潭虎穴的生物來學習吧!
 正好有兩位深入探索演化如何創新的大師級科學家都姓華格納,也剛好都是奧地利維也納大學的校友,都在美國耶魯大學待過,所以不瞞大家說,我剛開始有時候也會搞錯對象。根達.華格納(Günter P. Wagner)是現在美國耶魯大學生態及演化生物學系的講座教授,曾擔任過中央研究院生物多樣性研究中心的學術評鑑委員,對台灣文化深感興趣,我還帶他去參觀過台北孔廟及保安宮。
 本書作者安德里亞斯.華格納(Andreas Wagner)則是瑞士蘇黎世大學的教授。他曾在維也納大學主修生物學,於一九九五年在耶魯大學生物系獲得博士學位,師事根達.華格納。然後他到德國柏林高等研究院當研究員,接著在美國新墨西哥大學生物系、後來到了蘇黎世大學生物化學系任教。自一九九九年以來,他同時也是複雜科學的聖地——新墨西哥州聖塔菲研究所的外部教授。自二○一六年起,他擔任蘇黎世大學演化生物學與環境研究系系主任。
 自從達爾文發表了《物種起源》(On the Origin of Species),他的天擇說有個大問題,就是他假定族群中存在可遺傳的變異,天擇從中挑出適應環境的存活者。可是達爾文並不知道孟德爾的發現,儘管他們曾經生活在同一個時代,所以前者無法解釋變異從何而來、從何而去。孟德爾的發現一直要到二十世紀初才被三位歐洲科學家「再發現」。一九一八至一九四○年,演化生物學界興起了一股運動,就是把孟德爾的遺傳學,加上分類學、古生物學、動植物學、族群遺傳學等學科的理論和知識與演化論整合在一起,史稱「現代演化綜論」(modern synthesis)。
 現代演化綜論讓演化論成為科學中一個有完整架構且嚴謹的理論,尤其族群遺傳學更是使用嚴謹的數學作運算,並且有紮實的實驗能夠多次精準地作出預測。然而族群遺傳學家關注的是微觀演化的現象,也就是性狀在代代之間的改變,基本上是量變而非質變,雖然他們相信質變不過是巨大的量變而已。事實上,族群遺傳學家根本不太關注所有「新性狀」是如何產生的。例如,利用族群遺傳學的方法,可以解釋某種鳥類身上某幾根羽毛的平均長度在一代一代之間變長了多少,可是對於解釋羽毛是如何憑空演化出來,卻是無能為力、也不是族群遺傳學家想去探討的。
 族群遺傳學家把持演化遺傳學的話語權維持了好幾十年,直到約三十年前出現了演化發育生物學(evo-devo,evolutionary developmental biology)這個學門,演化生物學家才開始重視從胚胎發育以及表現型和基因型間的關連,來研究生物是如何演化出前所未見的新構造或新功能。根達.華格納本人就是試圖用演化發育生物學的方法解釋演化創新的一員大將。
 然而,演化發育生物學卻又有其局限性,因為親緣關係遙遠的物種無法交配進行孟德爾式遺傳實驗,所以發育生物學家只能用已知的知識去猜測是哪些基因起了作用,再用胚胎去做基因表現的染色圖譜,探究某些基因在胚胎發育時發生了哪些時空變化。我在念博士班時,母校一些族群遺傳學大老就戲稱我們使用的這種方法是「在胚胎上劃線」而已。還好,近年除了演化發育生物學,分子演化學、基因體學等領域也拜DNA定序愈來愈價廉物美所賜而突飛猛進,加上一些生物化學和生物物理學的知識也被用來解釋更多生物演化的現象,讓演化生物學百家爭鳴,綜合起來有更強大的解釋力!
 根達.華格納的弟子安德里亞斯.華格納同樣是位很有創造力的科學家,頗有青出於藍之勢。他精通分子演化學、基因體學、生物化學,並且有良好的數學能力,於是他大膽地挑戰過去被忽視近百年的大哉問:演化是如何創新的?他的研究興趣和工作圍繞著生物系統的「穩健性」(robustness)以及創新力,探討生物如何創造出新的特性,幫助生存和繁殖。他認為,要解釋演化上的創新,單單用隨機的運氣是不夠的。他認為天擇能夠解釋適應性的存活,但無法解釋適應性的出現。打個比方,解釋智慧型手機戰國時代品牌的演替是一回事,解釋iPhone的橫空出世、引爆智慧型手機熱潮又是另一回事。
 安德里亞斯提出穩健性是創新力的關鍵。在他的理論體系中,穩健性是生物系統承受微擾動(如DNA突變和環境變化)的能力。他曾開發了一個針對基因調控線路的數學模型,並使用這個模型來驗證天擇可以增加這種線路在發生DNA突變時的穩健性。我們可以想像基因調控線路就像電腦的主機板,上頭有各種電路。他的模型顯示,天擇會篩選出更耐受突變的基因調控線路,不會一丁點小突變就掛點,動不動就要砍掉重練。就像優秀工程師設計的電腦主機板會更穩定,不會裝了新程式就三不五時頻頻當機。
 他的研究也顯示耐受突變干擾的穩健性,其中一種方式是來自冗餘的重複基因。天擇可以保持其冗餘度和隨之而來的穩健性。所謂狡兔三窟,有備而來的高手是不會把雞蛋全都放在同一個籃子裡,總是有B計畫,因此可立於不敗之地。然而,他也認為比冗餘更重要的是複雜生物系統的「分布穩健性」,這是由於多個不同部分(如調控網絡中的蛋白質)的協作而產生的。這就像一家有多據點的跨國大企業,不會因為一些員工多休幾天假就喪失競爭力。
 安德里亞斯提出穩健性可以加速生物演化的創新,因為有助於生物體抵禦其他有害的突變,更能夠創造新的和有用的特徵。這是比較反直覺的,穩健和新穎似乎是天秤的兩端。但他的理論提出DNA上穩健的轉錄因子結合位點可以促進新基因表現的演化。因此穩健性的另一個後果是,演化中的生物族群可以積累隱蔽的遺傳變異,這種變化在另一些環境中可能會帶來好處。這就像是一個成熟且有包容力的民主社會,不會因為政黨輪替等就被搞得七葷八素。
 安德里亞斯認為,穩健性還可以幫助解決分子演化長期以來的爭議,這個爭論圍繞著頻繁的中性突變在達爾文演化中是否為重要的問題。中性突變指的是不好也不壞的突變,他認為中性突變就是穩健性的結果。因為暫時不會對表現型造成影響,中性突變成了後來的演化適應和創新的重要墊腳石。穩健的系統也讓一些性狀能夠擴展其功能。就像是穩健的大企業,可以更能無後顧之憂地擴展新業務。
 安德里亞斯在二○一一年提出了一個創新理論,其中「創新力」(innovability),也就是生命系統創造創新的能力,是其穩健性的結果,而穩健性反過來又是由於曝露在不斷變化的環境中所造成。他提出,許多基因型網絡會有相同表現型,所以這些生物族群可以通過DNA突變進行探索,並且有助於創新的起源。這像是現金多到幾世花不完的資本家,可以更放膽去進行高風險投資,因為幾次的虧損基本上不痛不癢。
 除了學術上的大哉問,在《生命如何創新》中,華格納要面對一個很具挑戰性的問題,那就是他非得把抽象的概念解釋得清晰易懂,所以他用一個包含所有蛋白質序列可能性的超大宇宙圖書館來比喻。因為圖書館實在太龐大了,所以大部分都是垃圾文字,但仍有可能出現經典名著。蛋白質圖書館也是一樣,大部分序列毫無任何功能,但極少數序列能夠作為酵素等等。但問題是,在這龐大的圖書館中,一本書要演化成另一本書的機率實在太太太低了,那要怎麼辦到呢?
 還好,我們要表達同一個意思,同一種語言中就有千百種說法。就和我們人類的文字一樣,要達成同一個功能,蛋白質的序列也可以是不同的。所以在圖書館中,可以找到內容概念相近的書,那也就能找到序列不同但功能相近的蛋白質。一本書不會因為幾個非關鍵字出現了錯別字就有完全不同的意義,一個蛋白質也不會因為幾個非關鍵胺基酸的差異而有不同功能。這使得遺傳變異能夠大量累積而不致於發生損害。
 他用圖書館來比喻,如果圖書館以字詞相似度來分類而非書籍屬性來分門別類的話,讀者可以於分散在圖書館不同處的房間裡讀到類似概念的書,可是隔壁架上字詞相似的書,卻可能呈現不同的概念或學科,因為關鍵字詞的改變,整本書就可能可以出現不同的意思。當網路愈大,也就是書籍愈多,讀書的人口也愈大,就愈容易發生該狀況。同樣的概念也適用於代謝和基因調控的網絡,他甚至相信能夠適用到所有複雜系統中。
 博學多聞的安德里亞斯.華格納在書中列舉了許多五花八門的生物分子和功能為例子,大大增加了可讀性。另外,歐洲科學家和美國科學家有一個很大的不同,就是前者更傾向做更哲學性的思考,這就是為何他會在書中提到古希臘哲學家柏拉圖的本質論(Essentialism)。原本視物種為具有永恆不變本質的柏拉圖思想是演化論的大敵,但安德里亞斯卻為本質論辯護,指出二十一世紀的本質論並沒原先那麼簡單。不同生物趨同演化產生出功能上殊途同歸的蛋白質,就是因為它們有相似的本質,而序列只是投射進地穴中的光影。
 雖然在《生命如何創新》一書中,安德里亞斯使用的例子都是數學、生物學或科技的,但由此可見,許多複雜的系統都有相似的結構與行為,這也是複雜科學的魅力所在。上述段落中,我用社會和企業的例子來比喻,並不見得完全恰當,但大自然能否為師,端看有沒有天才能有所悟。科技趨勢專家凱文.凱利(Kevin Kelly)在《科技想要什麼》(What Technology Wants)中也揭示了人類科技也出現類似趨同演化和反熵等等類似生物的現象,例如不同文明為了解決類似的問題而創造出相似的技術或工具等等。因此,書中提到的創新力奧祕,或許在我們身處的經濟和社會中,說不定也會有異曲同工之妙,非常值得我們再深入探究!
 

詳細資料

  • ISBN:9789869597838
  • 規格:平裝 / 336頁 / 21 x 15 x 2.2 cm / 普通級 / 單色印刷
  • 出版地:台灣
  • 適讀年齡:18歲~65歲
 

內容連載

前言 世界夠大,時間夠長久

一九○四年春天,加拿大麥吉爾大學(McGill University)三十二歲紐西蘭物理學家歐尼斯特.拉塞福(Ernest Rutherford),在世界最古老的科學組織¬英國皇家學會舉行一場演說,主題是放射性與地球的年齡。

當時,科學家早已捨棄聖經宣稱地球年齡只有六千年的論點,最廣為接受的是由另一位物理學家威廉.湯姆森(William Thomson),也就是舉世聞名的克耳文勳爵所計算出來,他利用熱力學方程式以及地球的熱導率,估算出地球年齡大約是兩千萬年。

就地質學而言,這不算非常久遠,卻意義深長。若火山與侵蝕等作用以現今的速度進行,那麼地球的地質特徵就無法在兩千萬年內出現。然而,克耳文勳爵的推論,倒是讓達爾文(Charles Darwin)物競天擇的演化理論成了真正的受害者。達爾文形容:「湯姆森推論出世界只存在那麼短的時間,讓我深陷麻煩。」達爾文知道,物種自上一次冰河期之後就沒有太大改變,然後從那些微小的變化,他推論要創造出不管是現存或保存在化石裡的所有生物,必然需要很長的時間。兩千萬年並不足以創造出生命的多樣性。

但是,早幾年發現放射性半衰期現象的拉塞福,了解到克耳文勳爵的估算顯然是不正確的,至少差了好幾個數量級。他後來回想:

「當我走進一間昏暗的房間,不久就認出觀眾席裡的克耳文勳爵,我意識到論及地球年齡的最後部分,當我的觀點與他的有所抵觸時,我會碰到麻煩……放射性元素在衰變過程中會釋放巨大能量,這個發現延長了生命在地球上存在期間的限制,並符合地質學家及生物學家所提出演化過程所需的時間……」

事後證明確實如此。克耳文在一九○七年逝世,拉塞福在一九○八年獲得諾貝爾獎,並在一九三○年代運用他的放射性檢驗法測得地球約有四十五億年之老。達爾文的理論獲救了,隨機突變和選擇都有了充裕的時間,足此創造出生命豐富的複雜性與多樣性。

真是如此嗎?

就以猛禽遊隼(Falco peregrinus)來說,牠是令人驚艷的完美物種,也是自然界最驃悍的掠食者之一。強而有力的肌肉組織,搭配極輕量的骨骼,使得牠獨特的俯衝動作時速可超過兩百哩,是目前地球上速度最快的動物。速度會轉變成巨大動能,讓遊隼在半空中用剃刀般鋒利的爪子攻擊獵物。即使衝擊未能一招致命,牠還有辦法使用倒鉤狀的銳利上喙切斷獵物的脊柱。

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