創新者的DNA

雖然我很不擅長飼養動物，但從小也養過斑鳩、烏龜、兔子等等，現在家有三隻貓，實驗室有好幾籠雞、十姐妹和虎皮鸚鵡。看著這些小動物，真的很好奇，牠們是如何從一個單細胞的受精卵，幾乎分毫不差地長成現在的模樣。即使有些差錯還是在所難免，讓牠們長出奇形怪狀的羽毛，反而更得人喜愛。  

為了瞭解牠們的基因如何形塑出動物該有的模樣，我決定投身一個稱為演化發育生物學（Evolutionary Developmental Biology，簡稱evo-devo）的領域，來探究基因的變與不變，如何指導動物發育出正常的器官和特徵，又如何在限制中有所創新而演化出新穎的特徵甚至器官。博士班時研究的是果蠅的體色和性梳，博士後迄今研究的是鳥羽和鳥喙的發育和演化。  

拜DNA定序的日新月異所賜，不僅造福了生物醫學領域，讓我們能夠快速鑑定出造成疫情大流行的冠狀病毒是罪魁禍首以及後來發生的突變株，我們也開始仔細閱讀祖先留給我們的遺傳藍圖，並且定序了一個又一個物種，並將這些藍圖用高速電腦作仔細的比對，把基因體的知識用在解決生物演化和發育的問題上。在我踏入這個領域的近二十年間，我們有了許許多多成果斐然的發現。  

著名的古生物學家蘇賓（Neil Shubin）在這本新書《我們身體裡的生命演化史：演化如何打造出身體，而身體的演化又如何構成新的物種？ 一部關於器官、組織、細胞、DNA長達40億年的故事》（Some Assembly Required: Decoding Four Billion Years of Life, from Ancient Fossils to DNA），就要娓娓道來這些演化發育生物學和基因體學的精彩故事。蘇賓的上一本書《我們的身體裡有一條魚》（Your Inner Fish-A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body）用許多生動有趣的案例，來說明我們從海裡的魚演化成人類，還遺留著多少我們魚類祖先的痕跡，讓我們更瞭解我們的身體。  






雖然研究的主要是古生物，但是舒賓對發育生物學、分子生物學和基因體學的知識非常淵博，在演化生物學的歷史和理論方面也有很深厚的功力，加上他很擅長講故事，很難找到比他更適合來寫這個主題給大眾的學者了。這是極為難能可貴的，因為古生物學和分子發育生物學思考問題的差異很大，甚至在有一些美國大學還水火不容，芝加哥大學的朋友也跟我說過，舒賓所屬的機體與解剖學系和生態及演化系雖然有不少教授同樣是進行演化生物學研究的，但一向不甚融洽。

舒賓最有名的學術成就是找到海洋魚類演化成陸生動物的關鍵環節，也就是提塔利克魚（Tiktaalik roseae），他也曾在中國東北發現一億六千萬年前的蠑螈始祖。我原本以為古生物學家出身的舒賓在分子發育學的學術興趣是半路出家，但讀了《我們身體裡的生命演化史》才知道，原來從苦哈哈的學生時代，他就一直對這方面的新進展保持高度興趣。舒賓在分子發育生物學的功力不僅用來寫科普書，他在古生物學領域有了很突出的貢獻後，現在他的實驗室正積極破解魚鰭如何演化成陸生脊椎動物四肢的遺傳、分子及發育機制之秘密，近年發表了不少重要的論文。  

就因為舒賓非常的跨界，《我們身體裡的生命演化史》讓我們彷彿能夠有如親臨其境地回到演化的歷史現場，收集動物祖先的DNA回到現代生物學的實驗室用先進的儀器來研究牠們的基因變化，如何造就陸上這麼多彩繽紛的生物多樣性！  

舒賓把古生物學和現代生物學調和得很有滋味，我們和演化大師們一起在他們的年代，思索當然新發現的證據，究竟放在生命大拼圖中的哪一塊，其真相和意義又是如何？雖然我們可能早就知道了陸生動物從海洋演化而來、恐龍演化成鳥飛上天的故事了，也知道DNA是遺傳物質，甚至連mRNA都能當作疫苗的材料，還知道有所謂的跳躍的基因甚至自私的基因，但跟著舒賓一起見識大師們的真知灼見，還是非常感動！  

《我們身體裡的生命演化史》提到湯瑪士．亨利．赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825~1895）的學生聖喬治．傑克森．米瓦特（St. George Jackson Mivart，1827~1900）的故事，他雖然最初是達爾文演化論的支持者，但後來成為了一個直言不諱的批評者，抨擊天擇無法解釋有用結構的初始階段，並且質疑如果演化是通過突變和自然選擇逐漸變化的過程，那麼主要的轉變應該如何出現？神創論者現在還用這招試圖否定演化論。  

舒賓指出，很多器官現在的功能，其實和它們剛演化出來時，是很不一樣的，書中提到的羽毛，剛好就是我的研究材料。羽毛在獸腳類恐龍身上就出現了，是拓展適應的好例子，因為羽毛剛演化出來時，不管是保暖還是求偶，都和飛翔沒任何關係，只是剛好很適合改變成符合飛行流體動力學的結構，才演化出用於飛翔的功能。就像智慧型手機現在的功能五花八門，但一開始只能打電話啊（這個功能反而少用了）。如果有人說沒有觸控螢幕、不能上網玩遊戲的不能算是手機，會不會莫名其妙呢？  

另外，演化也是會抄捷徑的，而非從頭開始發明新特徵，而是重新利用現有特徵。我們的社會也都是在原有的框架中創新的，就像決定馬路和鐵道寬度的是古羅馬時代拉車的兩匹馬屁股寬度。舒賓當然也要提到魚的膘，被重新改造成陸生動物的肺。  

儘管我們看到了許多新特徵，但大部分基因仍是非常保守的，我們祖先如何在不傷及原有正常基因功能的情況下產生演化上的創新？日裔美國遺傳學家大野乾（Susumu Ohno）提出基因複制在分子演化中發揮了關鍵作用，因為多了一個備份，一個基因能繼續裝矜持操守家業，另一個就可以離經叛道搞出新花樣。這個理論當初剛提出時，並沒有獲得太大回響，但基因體學興起後，大野乾的先知才被重視。  

《我們身體裡的生命演化史》中，大野乾還有一個驚人的「壯舉」，用染色體照片稱重就估算出一些物種的基因體大小！然後我們也喝然發現，我們人類和黑猩猩的基因體有98%以上可說是同出一轍。那我們又是如何長得和黑猩猩大不相同呢？這是因為我們大部分基因在時間及空間的開關調控和黑猩猩不一樣，就像同樣的食材，名㕑只是刀工和火候以及食材處理的先後順序上下工夫，就能巧奪天工地烹飪出美食，但我只能做出微波食品。這個理解，要拜富蘭索瓦．賈可布（François Jacob，1920~2013）和賈克．莫納德（Jacques Monod，1910~1976）開創的基因調控研究和發現所賜。  

科學是站在巨人肩膀上完成的，介紹用發育生物學來理解生物演化的想法，一定要追溯到，舒賓介紹了德國博物學家卡爾．恩斯特．范貝爾（Karl Ernst von Baer）和恩斯特．赫克爾（Ernst Haeckel，1834~1919），後者觀察到不同物種的早期胚胎看起來非常相似，提出名句「個體發生（Ontogeny）重現了親緣關係（phylogeny）。」，這個說法現在雖然被修正了，但仍啟發了不少研究。  

好多演化大師也會陸續出場，例如華爾特．戈斯登（Walter Garstang，1968~1949）從不變態的蠑螈得到靈感，提出所有脊椎動物的祖先都是海鞘發育過程中幼蟲，非常有啟發性，甚至我們也發現鳥類可能也算是恐龍幼齒的時期，我們人類相較黑猩猩也是如此；舒賓在加州大學柏克萊分校的同事妮可．金恩（Nicole King）也是我博士班指導教授同實驗室出身的同儕，她在領鞭毛蟲（Choanoflagellate）的研究讓我們瞭解到多細胞動物如何從單細胞演化而成。  

《我們身體裡的生命演化史》提到的有些洞見當初是令人感到匪夷所思的，要能夠提出還需要不少的勇氣，像芭芭拉．麥克林托克（Barbara McClintock，1902~1992）的跳躍基因就是，後來我們也知道跳躍基因和一些新特徵的演化有關，例如哺乳動物的懷孕就可能與之有關；還有琳恩．馬古利斯（Lynn Margulis，1938~2011）的細胞內共生假說，認為真核細胞內的粒線體或葉綠體的真身就是遠古的細菌，這不就是傳說中的合體嗎？這個超越時代的論文，當時可是被15家期刊拒絕刊登的，她有好一段時間被學術圈視作異端。  

現在世界都冠狀病毒搞得七葷八素。自私的病毒會為了自己的繁殖而徵用宿主的生化機制。一些病毒基因可能會意外地或在有逆轉錄病毒的情況下，插入宿主的DNA中。這種病毒DNA 可以被重新利用，為快速演化提供了另類的材料。我們甚至還把細菌對付病毒的分子機制改造變成了一個強大的生物技術工具CRISPR，來進行精細的基因編輯。  

我們現在對如何組合新生命還沒有完全的瞭解，未來肯定也還會有許許多多令人興奮的新發現，讓舒賓的這本《我們身體裡的生命演化史》開啟這個發現之旅吧！


本文為《我們身體裡的生命演化史：演化如何打造出身體，而身體的演化又如何構成新的物種？ 一部關於器官、組織、細胞、DNA長達40億年的故事》推薦序。