開場白

人們對週遭環境人、事、物的企圖心常從最初開始

沉默的羔羊 

生物與生物學

定義背景

        隨著人類的出現與意識到自我的存在後，生命的、有機體的或是生物的概念便與物質的世界有了區隔。在這條漫長的演化之路上，具有記憶並且組織記憶而能做出準確預見周遭環境動態的生物，成了最具競爭力的物種，有系統的生物知識便在此一背景下誕生了。

 

生物學是怎麼開始的？

        民以食為天：蓋將開物以成務，必先分類而知名

        邪靈附身：揭開疾病的神秘面紗

生物學的發展與應用

        生存：史前人類的紀錄

        認識：亞里斯多德的生物分類
        控制：工業革命後的醫學與遺傳學
        反省：當代的生態學

近代生物學的里程碑

        遺傳學：孟德爾豌豆雜交實驗與古典遺傳法則

        演化論：達爾文的天擇說與物種起源
        生態學：卡森與寂靜的春天
        生物化學：維生素的發現與應用
        分子生物學：華生與螺旋雙股、人類基因組解密

人們需要研習生物學嗎？

        你想讓生活更有趣或者有更安全的生活品質嗎？

        如果是，那麼歡迎進入生物學的殿堂，一起體驗生物之美。

如何學好生物學？

        永遠保持旺盛的企圖心

        對於課程內容，常自問Why, What, How, When and Where.
        留意周遭人、事、物的變化，試著以所學知識解釋它們

生物課程的要求與成績評量

        你有權保持緘默，不過你在課堂上所參與的討論，都將成為你學期成績的一部份。

        寫出所學內容並提出問題或討論。
        撰寫科學書籍的讀書報告。

種(小)名相同就是同種嗎？

當然不是。

        種是生物分類系統中最低的分類階層，不同生物個體要被歸類為同種，必須符合同種的定義：有相似的解剖構造，並在自然條件下可繁殖出有生殖能力的子代。在累積從亞里斯多德以來的兩千多年人們對生物的觀察與命名的資料後，我們早已無需再藉助此定義來判斷個體間是否為同種，因為我們有更簡便的工具：學名(Scientific name)。只要是有相同學名的生物，就遵守前述定義，也就是同種。當然，學名的鑑定工作，還是得由專家們來進行。

        學名的書寫格式，就如同我在課堂上講的：由兩個以上的拉丁文或拉丁化的文字寫成，第一個字稱為屬名，就是該物種的拉丁文名字，是個專有名詞，所以字首需大寫。同時屬名也代表了一個分類階層(分類群)，通常一個分類屬中包含若干物種，這些物種都有相同屬名，但種名不同，他們彼此間的親屬關係(=演化親緣性)僅次於同種生物。其次是種名，它是一個形容詞，用來描述該物種的特徵、產地或甚至是發現者的名字。可想而知，訂定種名時是有較大的彈性，不像屬名大致已定 (除非你有幸發現一種全新分類屬的生物，那麼你或許有權為這個新屬訂定一個全新的屬名)。

        原本我以為這樣的陳述應該是夠清楚了才對，沒想到問題卻出乎我意料之外的大。

        也許問題的關鍵是出在這句結論上：若兩個體同屬於越低階的分類群，則其演化親緣關係越接近。分類階層由高到低，同學們早已背的滾瓜爛熟：界à門à綱à目à科à屬à種。既然種是最低分類階層，相同種，當然親緣關係就最接近。一點兒也沒錯，但是試題一考，觀念上的謬誤就露餡兒了。

        有三種生物的學名分別是：Latiaxis japonicus、 Penaeus japonicus、 Penaeus monodon請問哪兩者的親緣關係較接近？一缸子的同學會選前面兩個。問他們原因，異口同聲的說：因為這兩「種」生物有相同的「種名」，而「種」是最低分類階層，老師你不是說過兩個體同屬於越低階的分類階層，則其親緣關係越接近，所以當然選前面二者。真是厲害，還曉得用我的話賭我的嘴。於是反問同學：「同種」與「同種名」的意義是一樣的嗎？經過短暫的思考，我從同學們的表情中知道，他們懂了。

        讓我試著揣摩在那短暫的時間裡，同學們的腦子裡在做哪些思考：「同種」的意義是有相同的學名，意思是相同的屬名與相同的種名；但是「同種名」只意味著兩生物個體間有相同的特徵或來自相同產地又或是由相同的人發現，如果它們沒有相同屬名的話，就不是同一分類屬，便不可能是同種生物(不同高階；必不同低階)，因此自然無法套用「種是最低分類階層」為基礎的論證過程。

        那麼接下來就是我的工作了，讓我們回到問題上。Latiaxis japonicus，Penaeus japonicus這兩種生物雖有相同種名，但是不同的屬名，這代表它們是不同分類屬的生物。而Penaeus japonicus， Penaeus monodon雖然種名不同，但卻有相同屬名，這代表它們是同分類屬的生物。結論是：前二者生物既不同種，也不同屬；後二者雖不同種，卻是同屬生物。因此，後二者生物的親緣關係較接近。

2023國中會考

人類的壽命為何這麼長？

同學，你問我人類的壽命為什麼這麼長？嗯，這問題不難回答，卻值得深思。且聽我細細道來…

        2007年間美國某些州發生了一樁昆蟲界的奇觀。在地底下生活了17(or 13)年的蟬的幼蟲(又稱若蟲)，在大約相同的時間裡一起離開暗無天日的土壤環境，奔向光明。然後在一個月的期限內，近十億隻幼蟲必須完成蛻殼、羽化、求偶、產卵等生命傳遞的歷程，同時還得盡一切的力量避免自己被掠食者補食。(對此一自然景觀有興趣的話，請參閱遠流出版的《十七年蟬之謎》一書)

        它們的生命週期與人類相比較，有一個非常大的差異：蟬寶寶們注定一出生就見不到父母親。這是大自然給生物們出的一道選擇題：你是要自己活的更久一些呢？還是要讓你的孩子有更多的生存機會？生物只要活著，就要消耗資源，但地球的資源有限；這問題在人類現身於生命舞台上後就更嚴重了。親代壽命越長，他們與子代發生資源競爭的機率就越高，這將不利於種族的延續，也就是說，長壽的物種並不是天擇想要的。

        於是在天擇的作用下，許多生物演化出一種特殊的生活史：一旦將寶寶生出來之後，親代的生命也就落幕了。蟬如此、鮭魚如此，「朝生暮死」的蜉蝣更是其中之最。有一回在國家地理頻道中還看到一幕令人動容的畫面。「沒血沒淚」的章魚媽媽在產完卵之後，幾個月不吃「不喝」就守在受精卵旁，為他們提供含氧量較高的水流，並在使盡最後一絲力氣後死去，只為了她那未曾謀面的孩子們…

        人類則選擇了另外一個選項。令人覺得不可思議的是，人類的親代活得久一些不但不會造成人類族群延續上的問題，還變成人類生存所需的一項不可或缺的優勢與條件(人類總是在向大自然挑戰)。此一現象的背景如下：因為人類演化出一個超級大腦與群居的生活模式(二者間似乎存在著正回饋作用)，於是基於生存過程中溝通的需求，人類發明了語言與文字，並且在與其他物種的生存競爭中，以大腦為基礎的謀略策劃，日益顯現出它的巨大成效，於是人的腦子就越來越發達，終究讓人類成為所有生物中學習能力最強的物種。

        然而就像大家知道的一個事實：人類並不是上帝所創造出來的完美物體，雖然我們有超強的大腦，但人體結構的其他部分卻未有配套的改變，那就是骨盆。由於骨盆太小，令嬰兒在腦部與其他構造尚未發育完成前就必須出生。所以親代必須延長其存在的歲月，以照顧極為脆弱的嬰兒，藉以提升種族的存活機率。(更多的細節請參閱天下文化出版的《 最衰者生存》之第八章—總有一天會報廢。)

        你說，前面提到的那些壽命相對短暫的生物幼年期也很脆弱，為何就不需要親代的保護？有的，數量就是他們的親代為種族延續生命所提供的防護罩。它們產生的子代數，永遠比掠食者在一定時間內能吃完的多。但由於人是胎生動物，子宮容積有限，因此無法以量取勝，只能以時間換取空間。這是人類壽命必須延長的第一個理由。

        人類壽命為何這麼長的第二個理由是：人類必須後天學習許多生存技能，而有人教導可以使學習更有效率。我們假想一下這個場景，把嬰兒扔進世界上最大的圖書舘裡，就算他有所有生物中最聰明的大腦，你認為他能有效掌握圖書舘內所呈現的人類智慧嗎？尤其是我們的世界已經過於複雜了，我們同時還面臨到太多又太困難的問題，而這些難題可能需要不同世代的人類共同來解決。

        最後，在人類探索自然的過程中，無可避免的也會對自己產生興趣。當人類越來越清楚包括自身在內的生命世界如何運作後，我們便發明了多樣化的工具與技術來操縱生命，諸如手術、麻醉、消毒滅菌、使用抗生素與公共衛生系統的建立等等。這些作為不僅使我們逃脫了天擇的壓力，同時也創造了有史以來最長的人類平均壽命。

        然而，正當越來越多人慶幸自己得以延年益壽之時，地球的災難卻也隱然成形。

        同學，你以為是什麼原因讓當代的所有人都關心生態問題？(上帝也許正在天堂裡竊笑，想知道理由的人請參閱智庫出版的《紙牌的秘密》一書)你知道溫室效應是二氧化碳等溫室氣體過多引起的、「臭氧洞」是氟氯碳化合物飄到平流層後所造成的，還有野生生物棲所遭到破壞、不當外來種生物的引入、水體優養化、酸雨、過度使用農藥等數不清的污染......追根究柢，所有這些現象的背後只有一個原因，「數大」的人類。

        人類企圖與上帝鬥智；因為我們總是以擁有非凡的智慧為傲，剛開始我們的確過關斬將，在棋局裡佔了優勢，但現在被將軍了的是人類。以台灣為例，由於壽命的增長，人口老化愈趨嚴重；但台灣只有3萬6千平方公里的面積，許多還是不適合居住的山坡地，2300萬人已接近負荷量了，(從近年來人口不再增加便可推斷出來)因此少子化是必然的趨勢，於是衍生出來的就是人力不足的問題，怎麼辦？人類的智慧是否還能為我們化險為夷？

        上帝手持小扇，微笑看著這棋局。人吶，看你怎麼玩。

漏網之魚：檢索表與病原說

為了趕進度，有些課程內容，該強調卻忽略了；有些重要的補充資料，深具意義卻沒有時間談，就利用這個空間，好好做個討論。

        首先是檢索表。大家玩過「大風吹」這個遊戲吧，做鬼的人選一個特徵，例如戴眼鏡的人，這些人就要離開座位，尋找其他空位。至於沒戴眼鏡的人，就可以安穩的繼續坐在位置上。我想這個遊戲的發明人，搞不好是亞里斯多德。他是西元前三世紀左右的一位哲學家兼生物學家，今天我們熟悉的一些名詞就是他發明的，例如：生物可分為兩類動物與植物；動物又分成溫血與冷血(時至今日，已被修正為內溫與外溫動物)；植物中的樹木則可分成喬木與灌木。注意到了嗎，像不像我們在課堂上進行檢索表的製作時所用的方法？不斷地將一群生物，以一項明顯的特徵，將它們一分為二，直到每一種生物都有了屬於它自己獨特且唯一的位置為止。

        坦白說，以當前的生物分類系統來說，我並不認為討論檢索表的製作是重要的。因為目前的分類系統著重的是生物們彼此間的演化親緣關係，而不是他們在型態上的相似性。最為人熟悉的例子是蝙蝠與鯨，如果只注重翅或鰭的型態特徵，它們將分別被歸類為鳥類與魚類而非哺乳類，但這顯然與事實不符。所以我並不想花太多篇幅討論它，但是考試可是會考的，請同學多注意。重點不外就是分類特徵的判定(同中求異，同樣是葉片，有些有鋸齒狀葉緣、有些葉緣平滑；有些呈掌狀、有些不是；有些葉的尖端細、有些鈍…)。

        我想多花點時間討論病原說(以下內容僅供參考，考的機率不高，請審酌時間閱讀)。在生物五大分類界中，原核生物界、原生生物界與菌物界的許多物種；對了還有病毒，它不屬於任何生物分類界，是重要的病原微生物。病原微生物的觀念是由法國科學家巴斯德提出來的。巴斯德認為瘟疫並非邪靈附身，而是由可被觀察、描述並且控制的病原微生物所引起的。它的重要性不僅止於告訴人們傳染病的真相，更重要的是它將人類從恐懼的牢籠中拯救出來。並且馬上就有敏銳的醫生將這個觀念運用在醫療行為上，那就是消毒，無數的患者終於可以免於手術後的院內感染而告別死神。

        當然，如果只是知道傳染病是由病原微生物造成的，這對於遏止傳染病的漫延來說意義不大。所以就有科學家在病原說的引導下，開始追尋傳染病的源頭：到底是什麼病原微生物，引起了瘧疾、肺結核、天花或是急性脊髓灰白質炎(小兒麻痺症)？這個問題是由德國的科學家柯霍(1905年諾貝爾獎得主)提出一套邏輯來確認的，此邏輯稱為柯霍氏法則。它的原則如下：

        1.凡傳染病病患，其體內必存在特定的病原微生物(即病原說)；

        2.從病患體內，必可單離出病原微生物；

        3.單離的病原微生物，必可使另一健康個體在感染後出現相同病徵；

        4.在第二個病患身上，必可再度單離出相同的病原微生物。

        只要通過柯霍氏法則的驗證，就可以確認特定傳染病與特定病原體間的因果關係。到了今天，當新型傳染病出現時，例如2003年的SARS，科學家想確認冠狀病毒是造成SARS的元兇，就必須走完柯霍氏法則。這裡有一個小插曲值得一提，1993年諾貝爾獎得主穆里斯(發明PCR，使微物跡証成為顯學的功臣，PCR用途極廣以後有機會再談)，據說他堅決否認HIV是造成AIDS的病因。理由就是沒有任何一個科學家對HIV走完柯霍氏法則。

        最後，再介紹一個觀念：傳染病的鐵三角—病原體、敏感性個體與病媒。只要能夠打斷其中一條聯繫，就可抑制傳染病擴散。隔離病患、消滅病媒(蚊、鼠、跳蚤…)、用藥控制病原體都是好辨法。

         雖然，許多微生物會引起疾病，但更多微生物以非常多樣的方式在為地球與人們服務。如果沒有他們的幫忙，地球會被纖維素與動物屍體給佔據、人們會更容易生病、藥物的取得會更困難、棘手的遺傳疾病將永無治癒的可能性、我們對生命極限的理解將變的膚淺...所以，我們是該感謝微生物的，有你真好這句廣告詞，應該也適用在微生物的身上吧。

為何複製羊桃莉的媽有三個？

這事背後一定是有原因的。居然有三個同學不約而同地問我一模一樣的問題：「為何複製羊桃莉的產生，需要動用到3隻不同的母羊？」我怎麼就沒想過呢？使用同一隻不行嗎？把實驗系統簡化，當實驗失敗時，分析起失敗的原因，不是更容易？這樣的實驗設計，科學家的葫蘆裡到底在賣什麼藥？

 坦白說，我並不知道。所以請出Google大神釋疑，比較貼近的解釋如下：桃莉有三個母親，一個是捐細胞核的母親，一個是捐卵的母親，還有一個是辛苦懷牠150天的代孕母親。為了確定細胞核的來源，實驗設計上以兩個品系的羊來進行，細胞核的來源是白臉的芬蘭多塞特母羊(Finn Dorset)，卵與代理孕母則由黑臉的蘇格蘭黑面母羊(Scottish Blackface)提供。

不知道同學看了這樣的說明，有沒有豁然開朗的感覺？我只是覺得迷惑。為什麼須要在實驗過程中確認細胞核的來源？細胞核內含有遺傳物質，因此確認細胞核來源的用意在驗證親代與子代間遺傳物質的一致性，換言之，就是要昭告天下，桃莉是無性生殖下的產物。問題是這樣的驗證過程在桃莉誕生後再進行不是更簡便？為什麼要在實驗中使用多達3隻母羊，徒增實驗系統的複雜性與實驗失敗的風險？

 還是細說從頭吧。桃莉的簡要複製流程如下：

(1)將乳腺細胞取出；

(2)再收集卵細胞，並取出或破壞細胞核；

(3)輕微電擊共同培養的乳腺細胞與去核卵細胞以促其融合並開始分裂；

(4)將胚胎植入代理孕母子宮。

在這些步驟中，我怎麼就看不出來有哪一個步驟會造成子代細胞核來源的混淆？不論是哪隻羊—提供乳腺細胞、卵細胞或子宮者，都不可能在胚胎植入其子宮後，改變胚胎細胞中細胞核的組成；你看過哪一個孩子的細胞核，是由母親子宮提供的？所以實驗設計中，根本不需要代理孕母。

那麼，使用提供乳腺細胞的母羊身上的卵細胞會造成細胞核的混淆嗎？我看也不會。卵細胞的細胞核不是已被取出就是遭到破壞，何來混淆的可能性？即便在此步驟中乳腺細胞的細胞核與不完全的卵細胞細胞核發生混淆的現象，在遺傳物質組態發生巨變下，這個融合細胞恐怕也無法分裂成胚胎。因此，桃莉也不需要有提供卵細胞的第二個母親。

結論是：桃莉只需要一個媽，同時提供尚有分化能力的乳腺細胞、存在分化訊息的卵細胞與胚胎發育的子宮。問題又回到原點：英國的那兩位科學家到底為什麼要給桃莉三個媽？

就我的經驗來說，不論是活體外(in vitro)的試管實驗或是活體(in vivo)測試，在實驗設計之初，都希望能將會影響實驗結果的變因減到越少越好。因為就算實驗結果符合預期，太多的變因代表實驗者必須做越多的對照組實驗，以確認每個變因在實驗系統中的交互作用；倘若實驗結果不符預期，分析起失敗原因時，過多的變因將會對研究者產生莫大的壓力：時間、經費與自我的否定。所以我不相信有哪一個研究者會笨到刻意去做一個過於複雜的實驗。但如果真有人這麼做，那一定是有非這麼做不可的理由。

讓我們回顧製造複製羊桃莉的原始動機：確保一隻基因轉殖羊的優良性狀可以快速複製。無性生殖會是個好辦法，但是近一個世紀以來，教科書上都說哺乳動物不能進行無性生殖。直到基因轉殖技術成功運用在哺乳動物後，這才又迫使科學家們再度思考哺乳動物無性生殖的可能性。

事情的來龍去脈是這樣的。科學家好不容易從茫茫人類基因組中選殖出一個基因，這個基因可以指導乳腺細胞合成早產兒所需的乳白蛋白（α-lactoalbumin）並分泌在羊奶中。為了能夠獲得大量這類特殊的羊奶，科學家可以再用相同的基因轉殖技術，生產其他具有相同能力的基因轉殖羊。但這麼做太費事，就像此時我正在鍵盤上，一個字一個字的敲打著寫出這篇文字，想給我200多個學生看，我當然可以不眠不休地從頭到尾再敲出200多份一模一樣的文字，但這麼做太費事。複製就可以完成一樣的目的，科學家也是這麼想的。經過了幾百次的失敗，終於在1996年成功地讓桃莉誕生了。

瓶頸一旦突破，過去100年來被認為是不可能的任務的教條，竟然像不曾存在似的，科學家一路從羊、豬、牛、貓到猴子，全給複製了出來。這些後繼科學家的信心是打哪兒來的呢？是什麼讓他們相信自己也能成功？我認為關鍵就是桃莉的另外兩個媽。

科學講究的是普遍性，讓我們先假想下列狀況：桃莉是在同一隻母羊提供乳腺細胞、卵與子宮的條件下才能產生；相對的，在由三隻不同母羊分別提供乳腺細胞、卵與子宮的條件下，實驗卻失敗了。你想人們會相信哺乳動物的複製技術有普遍性嗎？人們可能會說：或許在同種生物的不同個體間存在著某種特異性，造成細胞間的不相容從而阻止了細胞分裂與分化。一旦細胞分裂與分化不進行，生物複製就不能成真。於是哺乳動物的複製技術便會被侷限在一個很小的範圍內，意即只能複製尚有生育能力的雌性個體。因此，假如我是桃莉的創造者，我當然要給桃莉三個媽，但是理由並非是要確認桃莉細胞內細胞核的來源，而是要說服大眾：複製技術是可以應用在最大範圍的生物身上。

        同學，我這麼說，不曉得你們聽懂了嗎？或是說能接受嗎？

回應

重點有三個

1.產出的後代DNA與 白臉的芬蘭多塞特母羊(提供乳腺細胞) 要相同

2.產出後代的粒線體(母系遺傳)要與黑臉的蘇格蘭黑面母羊(提供卵子)相同

3.孕母是黑面,卻能生出白面羊.

 此三條件缺一不可,才可證明是成功的複製羊技術

回覆

1.如果複製步驟都正確無誤，桃莉細胞核內的DNA有可能和提供乳腺細胞的白臉芬蘭多塞特母羊不同嗎？難道在複製步驟中，有可能造成意料外的細胞核融合，而使桃莉的DNA出現兩個以上的來源？如果上述兩個問題的答案都是否定的，請問：你所說的第一個重點，還會是重點嗎？

2.難道是我的認知錯了？桃莉不是乳腺細胞與去核的卵細胞融合而成的嗎？卵細胞內有粒線體，乳腺細胞內就沒有？否則，桃莉細胞內的粒線體來源怎麼會只與提供卵的蘇格蘭黑面母羊相同呢？

3.很抱歉，我真的不認為這是重點呀。在我看來，這只是桃莉的創造者為了方便說明桃莉(無性生殖產物)的性狀與代理孕母(有性生殖觀念)無關，所設計的一個小技巧。一般大眾恐怕無心也無力去理解桃莉產生的細節，利用擺在眼前的事實最容易讓人瞭解，不用多說人們就知道桃莉是隻與眾不同的羊，不是嗎？