生命科學概論 - 微生物學系

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 ... 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，沒有生殖，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（binaryfission）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 GenerationTheory） 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 VanLeuwenhoek）（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 GenerationTheory）。

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LazaroSpallanzani（1729—1799）、FranzSchulze（1815—1873）、Theodor Schwann（1810—1882）（圖1- 12）、JohnThydall、LouisPasteur（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StanleyMiller：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）SidneyW.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）MelvinCalvin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（Ribonucleicacid.,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。

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