《百變異能者》:「自然選擇」令生物能適應環境,不必訴諸上帝設計

《百變異能者》:「自然選擇」令生物能適應環境,不必訴諸上帝設計
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《百變異能者》討論的是人類這個物種因適應所產生的長遠改變,也探索今時今日的人類對新環境有何適應能力。

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文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)|圖:香港電台

尼采於《偶像的黃昏》一書中曾發表此名句:「凡殺不死我的,必使我更強。」我們卻能以相反的一句來形容生命世界:「當變得更強,我便是殺不死的 。」面對著各式各樣的環境,生物總能夠產生相應的特性與能力,變得強韌,在強敵與險境前得以存活,繼而繁衍後代——這就是所謂的「適應力」。

《零距離科學》最新一集名為《百變異能者》,討論的是人類這個物種因適應所產生的長遠改變,也探索今時今日的人類對新環境有何適應能力。不過首先,「適應」到底是甚麼呢?

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作為今天成功物種之一,人類是經過了數十萬年至百萬年的演化而成。

假若你生於平原廣野, 強健的大腿肌肉大概是必要的,它能令你獵食或逃跑時都得心應手。假若你翱翔在天,那骨骼就必需輕巧,不然連起飛也無法做到。假若你要暢遊大海,那想必需要某種器官讓你從水中獲得氧氣。不過,即或有著最壯健的大腿,跌進水裡時仍是會淹死;有著最輕巧的骨骼,卻無法與猛獸廝殺搏擊;有著水中呼吸的能力,卻不能使你高飛半點。

簡單來說,適應就是生物特徵與環境的對應。這些特徵不一定放諸四海皆有用,卻能使某一物種於其所屬的生態區位(ecological niche)內得以生存。在生物世界中,適應的現象隨處可見,它更一度是上帝存在的重要論據。但為何適應會跟上帝扯上關係呢?借用道金斯(Richard Dawkins)於《盲眼鐘錶匠》(The Blind Watchmaker) 所寫的一句說話:「生物學所研究的是一些看起來是為著某些目的而設計的複雜東西。」

適應與設計,兩者是如影隨形的,十九世紀著名神學家William Paley正是以生物與環境之間天衣無縫的配合來論證萬物皆由上帝精心設計。後來達爾文的理論為世界帶來了翻天覆地的改變,也無非是因為他打破了有關設計的迷思。

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Photo Credit: John Collier 公有領域
達爾文

達爾文最大的成就是提出「自然選擇」(natural selection)的機制。達爾文發現只要滿足以下三個條件:(1)物種能把特徵遺傳給後代,(2)後代特徵有機會產生變異,(3)資源不足以維持所有生物生存,自然選擇就會發生。

自然選擇的對象並不是生物本身,而是他所擁有的特徵。即是說,有利於物種生存的特徵會流傳至後代,有害於物種生存的特徵則漸漸消失。特徵的去與留仿佛是經過環境的篩選而汰弱留強。不過要小心留意,「選擇」一詞不過是個比喻。整個「自然選擇」過程都是隨機的,當中並不涉及有意識的選擇。

另外,所謂的有利與有害也並非絕對,乃是按環境而定,就如純白毛皮在雪地中或者能提供很好的保護色,但在草原上則難免成為一切捕獵者的焦點了。

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智人(Homo sapiens)在漫長的演化中獲得各種有助適應環境的非凡能力,令我們得以脫穎而出。

有了「自然選擇」 理論,生物的適應力不再是神奇的現象,亦不必訴諸上帝的設計。只要給予足夠時間,物種定必累積了各種有利的特徵,以至在該環境中遊刃有餘。因此達爾文的自然選擇理論不單找出物種演化背後的機制,更解釋了為何世上云云生物都是如此適應著自己所處的環境,而且擁有著各種有利於生存的特徵。

舉個簡單例子。相信大家都曾聽見過蟋蟀的鳴聲。那吵耳的聲音是由雄性蟋蟀摩擦雙翅所產生的,目的是要吸引異性。不過在夏威夷的考艾島(Kauai)上蟋蟀雖多,卻噤聲不語,何解會這樣?美國生物學家Marlene Zuk自九十年代起便於考艾島上研究蟋蟀,她發現島上有一種東西對蟋蟀非常不利︰那是一種寄生蠅,會憑著蟋蟀的鳴聲尋找目標,再將其幼蟲產於蟋蟀體內,最後可憐的蟋蟀則慘遭幼蟲吃掉。

由此可見,鳴聲本是有利於繁衍的特徵,於此時此地卻成為有害的負累。按自然選擇一說,會鳴叫的蟋蟀自然會消失,而無法鳴叫的異類反得以存留。久而久之,無聲蟋蟀逐漸雄據考艾島,並且完美地適應著當地環境。

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photo credit: newscom/達志影像
考艾島

《百變異能者》中所談及的人類膚色原理亦一樣。古人類源於非洲,當地紫外線強度高,膚色較深的人類較能夠抵禦紫外線的傷害,因此亦較易存活。相反,當人類逐漸移居歐洲,那裡日光偏弱,深皮膚反倒成了有害的特徵。

人類是需要吸取紫外線才能製造出維他命D先驅物,而製作這些先驅物的工廠是位於皮膚基底層(stratum basale)及棘狀層(stratum spinosum)上的角質細胞(keratinocyte)。不過,當皮膚的黑色素濃度越高,角質細胞就越難吸收紫外線,因此影響到維他命D先驅物的產量。若身體缺乏維他命D,骨骼就會變得柔軟脆弱,這明顯對生存不利。因此,歐洲人今天普遍有著較淺的膚色,也是自然選擇所導致的一種適應。

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膚色的深淺也反映出人類有適應不同環境的能力。

達爾文對生物適應力的見解無疑是令人佩服的,不過後來當科學家對生物與生態學有了更深理解時,我們發覺達爾文的理論並非事實全貌。自然選擇的致命傷是在於它只能解釋物種族群因長遠演化所產生的適應力,卻未能處理生物個體本身也有其靈活變通的適應能力。

照達爾文所說,物種之所以能逐漸適應環境,是因為在每一次繁衍中,後代均有機會產生隨機突變。而這些突變若有利生存,則更易遺傳至後代。不過達爾文當時卻未能解釋遺傳與突變的機制。後來人們發現突變與遺傳的並非特徵本身,而是記載著特徵資訊的遺傳物質。因此,科學家亦將其區分成兩個概念——基因型 (genotype)與表現型 (phenotype),前者代表蘊藏在生物中的遺傳物質(現在我們知道那就是DNA),後者代表生物所表達出來的特徵。放在最簡單的自然選擇框架內看,生物能否適應環境,取決於得到了哪種基因型,從而決定表達出哪種表現型。若你在出生時獲得有害的基因型,那就是自己倒霉,只能怨天罷了。因為適應力是屬於族群的,個體並沒法改變或選擇。

另外,在經典遺傳學的解釋下,一個基因型是對應著一個或一組表現型。舉例說,在孟德爾(Gregor Mendel)著名的豌豆實驗中,黃色與綠色就是表現型。但豌豆有著哪種表現型卻是取決於它們的遺傳物質中記載著哪種基因型。在此解釋下,基因型與表現型仿佛是有著明確甚至是一對一的對應,但這是錯誤的。

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基因型(genotype)是指遺傳物質內的資訊,亦即是DNA內的核酸序列。生物的表現型(phenotype)雖受其掌控,但同時亦受環境所影響。

在考慮基因型與表現型的對應時,我們究竟忽略了甚麼呢?那就是跟適應息息相關的「環境」了。基因型並非只能刻板地記錄著某一種或某一系列的表現型。同一基因型在不同環境中其實可以產生不同性質的表現型,這就是所謂的「表型可塑性」(phenotypic plasticity)。

以最簡單的例子來說,同卵雙胞胎雖有著近乎一樣的基因型,但他們若身處不同環境中,有些表現型可以是截然不同的。再給大家另一個經典例子。在1909年,德國動物學家Richard Woltereck發現同一品種的水蚤置身不同環境裡會有著不同的外觀形態。當水蚤幼蟲感應到周遭環境可能出現捕獵者時,牠便會長出頭盔與尾部尖刺。相反,若四周環境安全,這些防具與武器則不會出現。換句話說,同一組基因型,在不同環境中可衍生出不同的表現型。這種表型可塑性正正說明適應不單是族群演變的後果,也是個體面對環境時的重要能力。若缺乏個體適應能力,環境只要一變,物種就只可束手無策等待滅絕。

此外,表型可塑性也令物種擁有攻佔新環境的能力。習慣了新環境,這些本來由表型可塑性所展現的能力甚至可以藉「遺傳同化」(genetic assimilation)的機制得以內化,直接寫進物種的基因內,成為該物種的新能力。意思即是說,表型可塑性不單影響個體,更能引導物種的演化及適應進程。在《百變異能者》的第二節中,人類既能夠以現代餐單吃喝,又能迅速適應原始人飲食法,大概也是因為我們身體的機制存在一定的自由度,容讓我們適應不同的環境。

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人類能夠適應不同的食物,大概是因為身體的機制有著一定自由度容許我們嘗試不同的生活方式。

最後容我寥寥數句介紹人類終極的適應力武器——「學習」。學習的本質也是一種「可塑性」(plasticity)——但並非表型可塑性,而是「神經可塑性」(neuroplasticity)。我們腦內的神經原能夠產生新的接駁或調控突觸的強弱,而這些改變均讓我們可以理解狀況,發展能力,適應環境,以致有利於存活。

《百變異能者》最後一節訪問了一位可跟狼群相處的奇人異士。這位男士正正是依賴人類的學習能力才能夠模仿狼的嗥叫聲,理解牠們的禮儀和進入牠們的生活。若說基因是生物的硬件,人類在時間的長河中有幸獲得超群絕倫的硬件,讓我們生出高效能的大腦,這是適應的第一層。而大腦內的軟件容許我們學習各式事物,生產不同工具,適應多種環境,那人類擁有百變異能者之名就真的是當之無愧了。

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人類不單被動的受環境篩選而獲得有利特徵,他更能主動學習新技能,從而適應嶄新的環境。
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學習源於「神經可塑性」,它甚至讓人有能力掌握狼群的習性,融入牠們的生活。

節目簡介:

《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播出播映,本集「百變異能者」於6月28日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫:www.rthk.hk/tv/dtt31/programme/sciencewithyou

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責任編輯:歐嘉俊
核稿編輯:鄭家榆