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            首都科學講堂第683期《想要問問你敢不敢?演化大沖關!》

            信息來源:北京科學中心      發布時間:2021-03-07

              2021年3月6日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國疾病預防控制中心副研究員劉歡,為大家帶來題為《想要問問你敢不敢?演化大沖關!》的精彩講座。

              

            想要問問你敢不敢?演化大沖關!

              十九世紀三十年代的一次環球航行,一位年輕的博物學家在五年時間里,見證了南美洲安第斯山脈的滄海桑田,邂逅了大洋洲環海大陸奇特的袋鼠和鴨嘴獸,開啟了一段關于物種進化和生命起源的思索。無論是在天圓地方的中土世界,或者在造物主創世的奇跡花園,我們本能地堅信人類正是眾生萬物的天選之子。工業革命巨擎迸發源源能量激發人們的豪情萬丈,忽然間,關于“長頸鹿脖子如何變長”的理論成為焦點,猶如一石激起千層浪,這是生命存在與意義的永恒主題。Are You Ready?讓我們跟著劉歡教授一起去揭開生命演化的神秘面紗,探索大自然的科學奧秘。

            第一講 我是誰?

              “我是誰?”可以說是人類的終極問題。關于人類的起源,東西方都有相關說法,在人類剛剛開始認識世界的時候,有很多的謎題無法用現實中的事例去解釋,于是人們構思出了一些神話人物。

              西方世界中有上帝造人,即上帝創造天地和萬物后,在第六日造人,且是按照自己的模樣造出了人類。但是這里就有一個小小的疑問,我們知道耶穌誕生在亞洲,那么上帝也應是來自亞洲,如果上帝是按照自己的模樣造出了人類,那么那些信奉上帝的歐洲人是怎么被造出來的?我們東方也有關于造人的神話傳說,就是女媧造人。傳說中,女媧把泥巴和水捏成了人的形狀,然后吹了一口仙氣,使他們都變成了活的人。

              由此可見,無論是東方還是西方的人類起源神話,都在給人們一種既定的概念和觀念,即人從一開始就是由神造出來的,從造出來之初到如今一直都是同樣的狀態,也就是說人類是一直不變的,是按照神的意志產生的一個凡間的代表。那么事實是不是這樣呢?

              在中國古代,皇帝被稱為天子,即“上天的兒子”,以此來讓世人認可他的權威。而在中國歷史上有兩個王朝的皇帝是通過平民最后成為皇帝的,一位是漢朝的開國皇帝劉邦,另外一位是明朝的開國皇帝朱元璋。

              在劉邦創立漢朝之初,可能還做了一些美化和加工的處理,比如說劉邦的大腿上有72顆痣,被說成是天上的72顆星宿。到了明朝朱元璋的時候,就很難再去創造這樣的傳說了,因為朱元璋的出身比劉邦還草根,他曾經當過乞丐。所以說,在中國很多人在客觀認識上已經知道,大家都是大自然中的成員,并沒有某個人是上天派來的使者,或者是上天的兒子。

              在西方也有一些事件標志著人們對宗教宣揚的“君權神授”思想產生懷疑。在歐洲封建歷史進程中,一般由上帝在人間的代表——教皇來為歐洲的帝王進行加冕。這個加冕的過程實際上就是教皇代表上帝把王冠戴到國王的頭上,意指君權是神授的。但其中有一個著名的歷史事件,即拿破侖稱帝時,在加冕儀式上把教皇手中的皇冠搶了過來,自己戴在自己的頭上。這個事件反映了當時民眾已經開始認識到,人可能更多的是一種自然的個體,人類社會也是這樣自然形成的團體,人們對“神創世”“神創人”的理論產生懷疑。

              更大的思想改變發生在工業革命時期。在電影《泰坦尼克號》中,男主角杰克在船上高呼“I am the king of the world”,令許多人為之振奮。這句話代表了當時的人們對運用科技手段產生的巨大能量來改造社會的信心。“泰坦尼克”號是英國在20世紀初造出來的一艘巨型郵輪,當時對外宣傳是“一艘永不沉沒的郵輪”,這樣的龐然巨物使得人類開始對自身的起源進行反思,認為雖然我們不是上帝造的,但是我們是被上天選定來主宰這個世界的,我們人類是一群特殊的生命。

            第二講 “貝格爾”號

              那么人類是不是真的如此特殊,是被上天所選定的?在這個選定的過程中,我們與大自然有哪些互相選擇的經歷呢?這就要進入我們的第二部分“貝格爾號”。

              “貝格爾”號是什么?它是一艘軍艦,在19世紀30年代進行了一次長達5年的環球航行。很巧的是,有一位年輕的博物學家也在這艘船上做科學考察,他就是達爾文。在這次科學考察中,達爾文發現了一些化石的存在,顛覆了他之前對生命的理解,也開啟了他對生命進化的科學思考。

              比如說,他在南美洲發現比較了兩種非常奇特的動物。一種叫作樹懶,行動遲緩,憨態可掬,非常可愛,還經常被做成卡通形象;另一種是大樹懶,形象上有了很大的變化——但是這兩種樹懶雖說體型不太一樣,從生物進化的角度來講,卻是有一定親緣關系的。這就引起了達爾文的思考:如果說人或其他動物是被神創造的,那么形象應該是一成不變的,為什么有一些物種會在不同的時間段,或者不同的地理位置,呈現出不同的形態呢?

              他在安第斯山脈的一些重要發現也加深了他對整個世界的認識,對生物演化的過程有了一些大致的想法——他在南美洲的安第斯山脈發現了貝殼的化石。這些發現使得一些科學家提出了地球演化的過程,即滄海桑田,使得達爾文對整個地球環境的變化有了一個基本的認識。另外還有一些奇怪的現象,比如說袋鼠和鴨嘴獸,只在澳洲大陸存在。這又引起了達爾文的一個興趣,他開始思考,如果要形成一個獨特的物種,需要什么條件?是地理環境的隔離嗎?畢竟澳洲四面環海,相當于一個天然的屏障,其物種進化是在相對隔離的環境下,是不是就是這樣才慢慢演化成了一種獨特的生物特征呢?

              此時達爾文已經對生物進化有了大致的理解,他提出了一個假設,如果所有的動物都能在一個合適的環境當中一直生存的話,那么用不了多久,這個世界上絕大部分的地域,都有可能被這個物種所占領。因為物種它會繁衍。

              以大象為例,假設一頭大象能夠活100年,一對大象在這100年中能夠生六胎的話,經過750年就能夠產生1900萬頭大象。但這是不現實的。畢竟從達爾文所在的時代倒推750年,已經有大象這個物種了,但現實中并沒有近2000萬頭大象。因此達爾文不得不非常嚴肅地、認真地思考一個問題:生物的進化到底被什么在左右,或者說是什么因素決定了生物的進化?

            第三講 達爾文與進化論

              在經過上述思考后,達爾文在結束了“貝格爾”號5年的環球科學考察后提出了“進化論”,其中最重要的理論是“人類是由古猿逐漸演化而來的”,最重要的原則是“物競天擇”。達爾文認為,在自然界中,生物互相競爭,能適應環境的物種被選擇存留下來,而那些沒有適應環境的物種就被淘汰。

              比如說在非洲草原上,常有獵豹追逐斑馬的場面。斑馬為什么拼命奔跑?因為它要避免獵豹的追殺。而獵豹不停地奔跑是為了獲取斑馬作為食物,這就鍛煉出了它們快速奔跑的物種能力。

              達爾文在進化論中首先選擇了我們熟悉的家禽來解釋生物進化的過程。比如說狗,就是狼在被人類馴化后產生的物種基礎上變化而來;豬的原始形態是野豬的樣子,長著非常鋒利的兩個獠牙,身上還有很多毛,只是作為人類肉食的主要來源,在人類不斷地馴化過程中,慢慢地演化成了現在我們見到的家豬形象:肥頭大耳,憨頭憨腦。

              再比如說長頸鹿,達爾文認為,一開始長頸鹿的脖子有長的有短的,在尋找食物的過程中它們會去吃樹上的葉子,漸漸地高度比較低的樹葉被吃完了,長頸鹿要想生存就必須吃更高處的樹葉,脖子必須長一點。也就是說,脖子長的長頸鹿生存的幾率會高一些,而脖子短的長頸鹿夠不到更高的樹葉,就會因食物匱乏等原因而被淘汰掉,最后活下來的就都變成了我們今天見到的脖子很長的長頸鹿。

            第四講 誰主沉浮

              從“神創論”到“進化論”,關于人類起源的理論不斷被質疑和驗證,那么在生物演化的過程中,究竟是誰在主宰?生物個體和環境分別對生物演化起到什么樣的作用?二者之間的作用又是怎么交互的呢?

              我們經常會說兩個同姓的人500年前是一家,這就說明人類一直認可有這樣一條遺傳脈絡存在。在生物進化的過程中也有這樣的一條脈絡。科學家通過對化石的研究梳理出了生物從低級到高級、單細胞到多細胞、植物到動物的復雜演化過程。在生物的演化過程中,它們會因不同物種的特征而產生很多分支,演化出不同的形態,產生不同的門類,最終逐漸形成豐富多彩的生物物種。

              那么,怎么證明所有生物都是由簡單的形態演化成各種各樣的形態呢?科學地來說,地球上的生命形態最基本的單元是細胞,植物和動物都是如此。雖然動物細胞和植物細胞有很大的不同,比如有無細胞壁,能否進行光合作用等,但它們的特性都由遺傳物質DNA決定。截至目前發現的地球上的所有生物的遺傳信息,都由DNA里的ATCG(或RNA里的AUCG)四個密碼子的不同排列組合來確定。這也就能說明,所有地球生物的起源實際上是一致的。

              達爾文曾在進化論中提出,生物演化是一個連續的、緩慢的過程,生物在進化到我們目前所認識到的形態和生物特征之前,應該有一些過渡的形態。有人對這個觀點提出了質疑——在寒武紀時期,忽然產生了一次生命大爆發,其規模之大超乎想象,其中有一些生物與我們現在的物種都不相同,而且在寒武紀之前和之后也都沒有過渡的形態。寒武紀化石群的發現給達爾文的漸進性進化論提出了一些挑戰。

              對于這一現象,科學家在經過地質學、環境學、生物學等研究后,得出了一些科學推論。比如說,有觀點認為,由于年代越久遠的生物所在的地質層越深,因此,寒武紀之前的地質層相對較深,更難被發掘,其中或許還有尚未被發掘的化石。也有觀點認為,寒武紀生命大爆發期間,環境中氧氣的含量相對于其他時期要高得多,因而促進了生物的繁榮,也給生物繁衍和演化提供了十分便利的條件,可能使得物種演化在這一時期顯得特別活躍。值得注意的是,寒武紀并不是我們以為的10年、20年,而是幾百萬年、上千萬年、上億年的概念,實際上是一段十分漫長的時間。生物演化是一個群體事件,而不是單一事件。一個群體在漫長的時光中,通過環境的選擇,有一些物種逐漸演化成了某一門類,另外一些物種可能變成了另外一種門類,是一個群體的過程。

              接下來要回答一個終極問題:人類到底是不是大自然最愛的人?是不是天選之子?是不是大自然專門選出來的地球主宰?

              這里要講到在達爾文進化論提出之前的一種理論,由一位法國生物學家拉馬克提出。拉馬克認為人不是由神創造的,他也認為生物是進化的,進化過程是“用進廢退”,也就是說多用會進化,少用就會退化。

              依然以長頸鹿為例,拉馬克認為,受生活條件所限,當低處的樹葉被吃光時,長頸鹿想要吃到更高一點的樹葉就要努力地伸長脖子。經過不斷地努力,慢慢地脖子就變長了,這才活下來了。他的理論就是,當生物的個體或者種群不斷提升自己的某些生物學特性的時候,它就實現了自身的演化。

              舉一個流行文化的例子來區分拉馬克和達爾文的進化論,在動漫作品中,比如說一個賽亞人正常的戰斗值只有1萬,當遇到強敵時要燃燒自己的小宇宙,變成超級塞亞人,這個時候他的戰斗值可能高達100萬。像這樣通過提升自己的戰斗值來實現能力的躍升,就是拉馬克進化理論:我提升我自己,直到能夠在這個環境當中生存和適應下來。

              而另外一種可能就是宇宙中有很多強者,大家都來到地球上戰斗,最后只有在地球上實力最強的人才能夠勝出。如果最后勝出的是賽亞人,那只能說明賽亞人就是地球上最強的。這就是達爾文進化理論:由環境來選擇能夠適應它的物種。

              那么達爾文的進化論究竟有沒有科學依據呢?來舉幾個例子驗證一下,第一個就是疫苗。我們知道有一種由病毒引起的疾病,人畜共患病,它就是狂犬病。這種病毒不僅可以感染人,還可以感染動物,比如狗,在疫苗發明之前,人類對狂犬病可以說是束手無策。直到19世紀后半葉,法國科學家路易·巴斯德研制出了狂犬病減毒疫苗。

              他從得病的犬類脊髓、腦髓和唾液當中收集動物組織,然后對狂犬病毒做減毒處理,也就是通過人工的方式使狂犬病毒的毒力降低,使之只能引起較弱的不良反應,在不危及生命的前提下,反而刺激人體產生針對這種病原的抗體,使身體產生免疫能力。這就是減毒疫苗的原理。

              巴斯德將收集到的病毒溶液注射到健康的兔子身上,等這個兔子感染狂犬病后,他再把得了狂犬病的兔子的脊髓和腦髓取出來,然后再把這次取得的狂犬病毒注射到第二只健康的兔子身上。他就這樣不斷重復這個過程,經過了100多次的傳代。

              為什么要進行多次傳代呢?實際上多次傳代就是要把狂犬病毒的生存環境從需要一只狂犬去咬人才能感染的“困難模式”變成直接注射進兔子體內的“簡單模式”。在這個良好的培養環境下,病毒不需要有那么強的毒力就能生存,所以其毒力就會漸漸地降低。最后,巴斯德將經過多次傳代的兔子的脊髓和腦髓抽取出來,對其進行干燥處理。地球上的生命都是需要水的,病毒也需要。一旦水分減少了,它的活力就會降低,也就是說毒力又降低了。

              這個減毒疫苗的研制實際上就是通過人工在動物體內環境的篩選,使病毒的毒力降低這樣一個演化的過程。

              再比如說卡介苗,這是一種預防結核桿菌的疫苗,其研發過程是經過在體外不斷地人工培養這個細菌,一共傳了230代,經過了13年,才最終降低該細菌的毒力。這也是一個通過人工選擇來實現生物演化的過程。另外,酶的人工定向進化技術,也是在體外模擬自然進化機制 (突變、重組和選擇),使進化過程朝著人們需要的方向發展。

              最后,我們要盡量地去維護和促進全球的生物多樣性。生物演化是一個自然選擇的過程,人類固然有主動去認識和改造自然的能力,但也不能忘了,我們也只是大自然的一分子,生物多樣性喪失將對人類生存和發展構成重大風險。如何更好地尊重自然、保護自然,是值得所有人認真思考的問題。

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