The Sky of Gene: 1月 2023

2023年1月31日星期二

生命的一百種邊界

「未知生，焉知死？」

生和死，在親眼目睹後，還能不困惑嗎？我們家長期罹患慢性腎臟病的貓小孩小白，八月底病情突然惡化，不僅出現尿毒症，還出現口腔潰瘍和眼睛感染，心肺功能在住院後繼續走下坡，我們不忍心牠在病情難以控制下受苦受難，於是讓牠用較舒適的方式離世，沒幾秒鐘，原本還會喘氣的小白，就再也一動不動了。

牠往生後，就馬上不再感受到任何苦痛了嗎？生命究竟只是那顆跳與不跳的心臟嗎？還是能否再回應我們的撫摸嗎？在那時刻，曾學習過和教授過的教科書內容，彷彿只是帶來更無窮無盡的叩問和迷惑不解。

1904年秋天，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的31歲物理學伯克（John Butler Burke），在牛肉湯中加入了一丁點鐳鹽，這種新發現的元素會發出放射性，並等待了一夜。第二天，肉湯表面出現了一層混濁層，他在玻片上塗抹了那層肉湯，在顯微鏡下，他看到了凝聚在一起的東西，稱之為「放射性生物」（radiobes），並認為它類似於最原始的生命形式。五個月後這個結果發表在《自然》（Nature）。

伯克確信自己有了一個重大發現。不幸的是，他的放射性生物後來被證實與生命沒有啥關係。但他愈來愈偏激地認定自己發現了「人造生命」，並有可能揭示生命的起源。在科學家們的千夫所指下，他最終成為科學界的笑柄，最後窮途潦倒地離開了學術界。

著名的美國科普作家卡爾．齊默（Carl Zimmer）以這個科學家的墮落故事提醒我們，千百年以來，關於生命起源的寓言一直讓有識之士深感著迷、神秘、困擾和困惑，開啟他在《生命的一百種定義：原來還可以這樣活著，探索生物與非生物的邊界》（Life’s Edge: Searching for What It Means to Be Alive）探討的大哉問：生命是什麼？生命是如何開始的？我們甚至應該用什麼標準來定義「生命」？

《生命的一百種定義》充滿了對生命科學過去、現在和未來的寶貴洞察，齊默在一個又一個文筆流暢優美的篇章中，揭示了生命的非凡複雜性和多樣性，以及生命科學家為探索生命起源和生命可能在其他世界的演變而啟發的巧思妙想。

身為生命科學家，我們當然可以用教科書的定義在課堂中教授學生，可是我們回到實驗室和生活中，看著一個又一個活生生的生命現場，閱讀的論文和書籍愈來愈多，其實更多的是困惑，而非靈光一現的理解吧？自認能夠輕易回答這問題的人，大概是對生命複雜而多變的現象沒有足夠的理解和體認吧？

法國哲學家笛卡爾（René Descartes，1596─1650）認為生命是由運動中的物質解釋的，動物只是複雜的發條機器。然而，反對者卻認為生命有其「內在力量」，是由一種「生命的目的」來區分的，其最顯著之處是「繁殖」。

查爾斯．達爾文（Charles R. Darwin，1809─1882）的祖父英國醫生伊拉斯謨．達爾文（Erasmus Darwin，1731－1802）早就預見到了演化論，他認為這種力量從一代傳到另一代，隨著時間的推移而改變，產生不同的形式。伊拉斯謨．達爾文的詩作激發關於生命本質的最著名和令人不安的小說之一——瑪麗．雪萊（Mary Shelley，1797─1851）的《科學怪人》（Frankenstein; or, The Modern Prometheus）。小說中的瘋狂科學家法蘭克斯坦（Victor Frankenstein）讓屍塊縫合成的一具屍體復活，他對這個問題非常著迷，經常問自己，生命是從何而來的？

除了歷史現場，為了解答這些困難的問題，齊默帶我們一同探索一個又一個令人嘖嘖稱奇的現代科學現場，美國加州拉霍亞（La Jolla）的一個海灘上，看著一個怪物大小的麋鹿海帶，想知道它是否可以被算作活體。在附近的實驗室裡，他發現神經科學家們利用蛋白質混合配方把皮膚細胞變成了神經元，用分化的神經元製造迷你大腦。

這些神經元形成了「類器官」（organoid）的相互連接的腦細胞球，還可以擴展到幾十萬個細胞，能夠存活數個月甚至數年，還可以產生可檢測到的腦電波模式。這些大腦「類器官」有生存意識嗎？但有意識本身並不足夠，電腦早已可以模擬出意識。這挑戰了我們對生命的想法，給生物倫理學家和哲學家提出了新難題。

如果意識要裝在一個人身上才算完整，要受精卵發育成人才算數，那麼一些雙胞胎在發育初期合併成為一個人的嵌合體（chimeras），產生了一個由兩個不同的基因體的細胞群組成的人，兩個生命是否變成了一個？醫學上把死亡定義為腦死，可是許多腦死患者保留了功能性的下視丘，一位年輕女性在生命維持系統中，身體持續成長並經歷了青春期，還開始了月經，十七歲時她才去世，那樣算是死了兩次嗎？

生命，是對死亡的抵抗嗎？這種「不生長就死亡」的現象是生命的標誌嗎？齊默把我們帶到了實驗室裡的蟒蛇，這些蟒蛇在被餵食之前一直處於最小的代謝狀態，牠們進食後新陳代謝就像打了雞血一樣；還有一種黏菌的孢子，從所有的標準來看，這些孢子都是死的：毫無新陳代謝、毫無知覺、毫無活動，直到加入一點水讓它們活了起來，這些黏菌就可以鑽過迷宮，伸到醋酸鹽膠片牆後，尋找糖的來源；一種在冰川中被風乾並凍結的苔蘚，在六百多年後又恢復了活力；如果把水倒在一個乾癟的緩步動物水熊蟲身上，在幾分鐘內，牠就會變成一個移動、進食、繁殖的動物。

在一個洞穴的深處觀察了北方長耳蝙蝠後，齊默發現了生命的另一個決定性特徵：體內恆定（homeostasis），即維持生理機能和狀態的恆定。那些蝙蝠整個冬天進入冬眠狀態，保持著相對均勻的體溫，長期懸吊著不會掉下去。當春天來臨時，牠們不得不在強風中飛行，過程中和其他蝙蝠不斷碰撞，牠們同樣在空中老神在在。

思索生命的定義，不再是生物學家的專利了。物理學大師薛丁格（Erwin Schrödinger，1887─1961）認為，要了解生命的基礎，就是要了解資訊是如何編碼、傳輸和複製的。他有先見之明地預言，生命的資訊是由一種分子攜帶的，可以為建立整個生物體提供「編碼腳本」。

當然，我們現在很清楚，這個分子就是DNA（或者在一些病毒中的RNA）。《生命的一百種定義》再把我們帶回了英國劍橋，在那裡一個常做白日夢的英國物理學家克里克（Francis Crick，1916─2004）遇到了一個年輕美國阿宅華生（James D. Watson，1928─），他也深受薛丁格的《生命是什麼？》（What is Life?）啟發，一拍即合。他們利用英國晶體學家富蘭克林（Rosalind Franklin，1920─1958）的DNA晶體繞射X光照片，解出標誌性的DNA雙螺旋結構。然而，DNA的結構也只是我們理解生命的一個前奏。分子生物學家繼續完成破譯DNA分子中的密碼如何導致生命的發生，以及那些編碼如何世代相傳。

即使一再被認定屬於非生物，嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）的一段RNA，綁架了人類呼吸道組織的細胞為它們繁殖，引起了一場瘟疫大流行，把世界變得天翻地覆、哀鴻遍野，我也在暑假期間確診，還好有三劑疫苗的保護得以全身而退。生命科學家對這個邊緣地帶可以有很多爭論：沒有生命的微生物，何以寄生在生物體中？

一種新的理論將生命解釋為一種將事物組合在一起的特殊方式。它被稱為「組裝理論」，探討建構某種東西所需的步驟數量。一個簡單的分子可能只需要一個步驟就能從原子中形成，但是一個生物體需要的步驟超過十五個，無法從普通的化學方法完成，所以生命是極為複雜的。生命算是可以自發地製造出有很多組裝步驟的東西。

無論生命的定義過去、現在、未來會如何轉變，《生命的一百種定義》並沒有，也不可能，回答所有關於生命定義的問題，因為我們還正在往充份理解生命現象的路上剛出發而已，可謂方興未艾。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。

本文原刊登於閱讀最前線【GENE思書軒】

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2023年1月16日星期一

纏結不清的生命演化樹

我們地球上所有生命都源自一個共同的祖先，完全沒有任何例外。如果你發現有，請趕快告訴我，我們一起發大財！

最重要的證據之一，就是我們幾乎全都使用同一套遺傳密碼，從大象、鯨魚到細菌、酵母菌都不例外，導致我們可以用基因改造的方式，讓細菌製造人類的蛋白質。嗯，先別感到害怕，治療第一型糖尿病患者的胰島素，就是這樣大量生產的。

然而，遺傳密碼也非全部放諸四海皆準，不同真核生物細胞中的粒線體和一些細菌的遺傳密碼，就和大多數標準的有些微差異。如果現在地表上所有生物不是來自一個共同的祖先，遺傳密碼的規則沒有必要幾乎完全統一，如果這種統一性是來自一個全知全能的超自然力量規範的，也不會有少數意外產生的例外吧？全地球的生命，就這樣可以畫出一棵枝葉茂盛的巨樹！但故事還沒結束，我們現在更是知道，這棵樹的枝條並非涇渭分明，而是非常纏結的！

這本《纏結的演化樹：分子生物學如何翻新了演化論》（The Tangled Tree: A Radical New History of Life）很好地講述了分子生物學的知識，如何讓演化生物學家進一步認識到生命的複雜性。《纏結的演化樹》作者大衛．逵曼（David Quammen）在《下一場人類大瘟疫：跨物種傳染病侵襲人類的致命接觸》（Spillover: Animal Infections and the Next Human Pandemic）就記錄了多個可能會造成人類大瘟疫的人畜共通傳染病，這將近三年把全球搞得翻天覆地的嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）疫情，就像書中內容的現實翻版，逵曼簡直就是先知。

《纏結的演化樹》除了記錄了演化生物學家如何發現了比傳統生物學認識的五界（動物界、植物界、真菌界、原生生物界與原核生物界）更複雜的三域（細菌、古菌、真核生物），以及演化樹原來有多麼盤根錯節，還讓我們深入了解充滿活力的科學家社群，尤其是以渥易斯（Carl Woese，1928─2012 ）這位大師為主線。

老實說，我拿到這本《纏結的演化樹》時，不禁為這本書的厚度嘆了口氣，心想逵曼也太囉嗦了吧？一讀之下，幾乎是一氣呵成讀完的，因為他的科普功力果然不凡，能夠透過關注重大發現背後的人物來連貫地帶出其中的科學精要。

《纏結的演化樹》首先介紹了生命之樹的形象，這要追溯到達爾文（Charles R. Darwin，1809─1882）筆記中最有名的圖，旁邊寫著「我認為⋯⋯」。在他的一本筆記本中勾勒出一棵細長的生命之樹──棒狀的樹幹長出了四組枝條。這幅圖展示了對當時人們來說很激進的想法，即隨著時間的推移，生物會發生變化，從而產生新的物種。

逵曼描述了生命之樹是如何從古代和中世紀思想中的梯子到天堂的形象，演變成達爾文分支向上生長的樹的。然而，隨著愈來愈多的新發現出爐，達爾文的樹形像不再是生命的精確隱喻，新的生命之樹最終看起來更像一張錯綜複雜的巨大網，而不是一棵向上延伸的樹。

這在古菌的發現後，改變了很多對生命早期演化的理解。因為微生物的分類極其困難，科學家一度只能研究能夠在實驗室中培養的細菌，那些在極境中的古菌長期被忽略。原本古菌被認為是生活在溫泉、鹽湖之類極端環境的嗜極生物，但近來發現它們的棲息地其實十分廣泛，從土壤、海洋、到河流濕地，以及人類的大腸、口腔、與皮膚之中。

要不是分子生物學方法上的突破，我們可能現在都難以察覺古菌的存在，甚至在剛發現古菌原來和細菌有非常多的重大差異時，還誤以為在極端環境中生存的古菌遠比細菌更古老，而命名他們為「古」菌，但我們現在知道真實狀況其實複雜得太多。現在更多研究顯示，真核生物應徹頭徹尾地屬於古菌域。

接著，利用研究各種生物的三大類分子──DNA、RNA 和一些蛋白質，分子生物學的方法更加確定了，原來真核生物細胞中的粒線體，以及藻類、植物細胞中還帶有的葉綠體及其他色素體，原來前身是細菌！我們基本上是讓細菌在細胞內共生的古菌演化而來的！進一步研究還發現，粒線體、葉綠體等色素體不僅還保有前身細菌身份時的一部分DNA，它們大部分基因，都轉移到了宿主基因體中。

科學家們還開始發現，生物不僅能垂直遺傳（基因從父母垂直傳遞給後代），大量研究已經一而再、再而三發現，基因也能夠跨越物種邊界作水平跳躍。尤其在定序技測愈來愈方便和廉價後，我們還發現，原來交換基因不僅發生在原核生物如細菌和古菌，還發生在真核生物甚至多細胞的動植物基因體中！這也模糊了物種之間的界線。原來生物物種之間不僅會分化，還會某個程度上融合。

很多反對基因作物人士的主張之一，就是基因交換是不自然的！然而，我們早就知道這絕非事實，自然界中的水平基因交換，可能甚至比我們已知的還多。一些多重抗藥的超級細菌例如抗藥性金黃色葡萄球菌（MRSA），基本上就是藉著自然發生的抗抗生素基因交換而造就的「拼裝車」；另外，我們人類的基因體，有多達8%的DNA，其實是來自感染了我們祖先生殖細胞的反轉錄病毒。

《纏結的演化樹》對這些硬科學概念的語言進行了雕琢，使我們所有人都能理解。憑藉逵曼嫻熟的講故事能力，圍繞著才華橫溢、時而粗暴好鬥、命運多舛的科學家渥易斯，編織了整個對生命之樹全新認識的旅程。他是美國微生物學家，是古菌——生命的第三域的發現者。

渥易斯受到克里克（Francis Crick，1916─2004）、鮑林（Linus Pauling，1901–1994）等等科學大師富有遠見的思想的啟發，致力於分子親緣關係樹的研究。1960年代和1970年代，在DNA定序技術普遍被大規模使用之前，他在美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校的實驗室，就開發並改進了從核醣體RNA分子中獲取序列資訊的技術。

這些從不同的微生物中精心獲得的序列，可以用作分子時鐘，來推斷生物之間以及的關係。他和學生發現了原來有不同於細胞的古菌，起初被科學社群質疑和忽視，在接下來的二十年裡，隨著分子定序變得更容易和更便宜產生了更多研究，讓渥易斯的「三域」樹——包括古菌、細菌和真核生物，成了生物學教科書中標準答案，雖然近年又發現真核生物其實並不特殊到可以獨立成為一個域，而是古菌的一個分支而已。

《纏結的演化樹》帶我們進入渥易斯的實驗室，讓我們了解他那些突破性的研究，並採訪的許多其他與他相關的科學家。書中有提到超過百位科學家，之間有複雜的師徒傳承和互相學習及合作。逵曼讓我們理解科學家們非常人性化的多面向，並揭示了大師之間的恩怨，認識到科學，其實是一種不完美的、高度社會化的活動。雖然乍看之下，提出內共生理論的特立獨行的演化生物學大師馬古利斯（Lynn Margulis，1938–2011）和渥易斯似乎該惺惺相惜，可是他們反而算是死對頭。

渥易斯從未得到他認為自己應得的認可——儘管獲得了麥克阿瑟「天才獎」和國家科學獎章以及其他著名獎項，但他從未獲得過科學界最高榮譽的諾貝爾獎。他在晚年時變得孤獨和不滿，似乎對達爾文本人懷有特別的怨恨，認為後者獲得太多不該屬於他的榮耀。

沒錯，現在的大量發現確實改寫了達爾文的一些觀點，可是那些分子生物學技術都是在達爾文逝世百年後才發明的，任何用達爾文之後出現的知識來責怪、貶低達爾文的言論，無疑全都是無的放矢，我也懷疑渥易斯回到達爾文的年代，讓他搭上小獵犬號，他就能提出等同於達爾文的遠見，罔論他還能得知古菌的存在以及生命之樹原來是巨大的網！

《纏結的演化樹》揭示了重大的演化理論是如何誕生、演進的，並且刻畫了參與其中的科學家鮮為人知的多面，是所有關心科學研究和發展的朋友值得一讀的好書！

本文原刊登於閱讀最前線【GENE思書軒】

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2023年1月12日星期四

誰偷走了你的心流、效率與創意？

你知道這是什麼嗎？你相信這個很酷的東西，會在矽谷以天價出售嗎？偷偷告訴你，這個東西成本無價，而且賣出了上萬上億個。雖然我不是數學家，但這聽起來還不錯對吧？

今天，你滑手機了嗎？滑了多久呢？不要懷疑，你花在滑手機的時間和精力，早就被矽谷大老闆當作很酷的東西在賣。在矽谷阿宅的操弄下，我們的注意力和專注力，居然成了企業和資本家發大財的原物料，我們的心智、工作效率和幸福感反而又老又窮，而且還每況愈下，你真的甘心嗎？

即使你不想滑手機，Messenger、LINE、Whatsapp上不斷跳出的訊息，也逼得我們不得不隨時回應，老闆隨興傳來的訊息更一再模糊上下班的界線。

更糟的是，我們本來就難能可貴的專注力，被手機裡的五光十色搞得愈來愈渙散。本來可以長時間專注處理的工作，變得令人不耐和煩躁，彷彿像吸毒一樣，不三不五時滑一下手機，就要失去全世界。時間和專注力的碎片化成為這個時代顯而易見的問題。在各種資訊的轟炸之下，即使順利完成了工作，卻彷彿一事無成，空虛感一再喧賓奪主。

就連娛樂也都是，雖然付費訂了Netflix、Disney+和Catchplay，但我近來愈來愈多時間是花在YouTube的短片上，據說很多人是花在影片時間更短的TikTok上，難怪Netflix會瘋狂流失訂閱人數。

沒錯！我們似乎脫離不了沒有手機和社交軟體的生活，可是成天被智慧手機打擾的日子，不就頂多只是這十來年的光景嗎？注意力和專注力究竟該如何回到我們身上呢？

這個大哉問，對需要耐著性子大量閱讀和寫作的作家來說，居然也成了個大問題，於是著名的記者和作家約翰．海利（Johann Hari）就把他切身的難題和經驗，以及為了幫忙自己而大量尋找的資料，寫成了這本《誰偷走了你的專注力？：分心世代的12個課題，如何停止瞎忙，重拾心流、效率與創意》（STOLEN FOCUS: Why You Can’t Pay Attention – And How To Think Deeply Again）。知彼知己、百戰不殆，這本好書會讓你好好用心認識讓我們沉淪的各種因素。如果你有幸把它讀完，恭喜你已經先扳回一城了！

海利在《誰偷走了你的專注力？》中揭示，不僅是他正值青少年月的義子，連他自己和朋友也都因為失去過往充滿活力的專注力而苦惱。就像幾十年前罕見的肥胖一樣，專注力的喪失就像肥胖，在許多現代社會中愈來愈常見。

為了和他的義子一起找回對現實世界的專注和感動，他和宅到爆的義子阿登從倫敦飛到美國南方去參觀偶像貓王艾維斯．普里斯萊（Elvis Presley，1935－1977）的豪宅——優雅園（Graceland），結果雪上加霜地發現，那裡的大部分阿宅遊客，全都盯著館方提供的iPad螢幕，甚少抬起頭看看實境，自拍除外。

《誰偷走了你的專注力？》把導致我們注意力不集中的許多原因分為十二個課題。原因包括速度、轉換、過濾太多，以及心流狀態削弱、身心耗損增加、持續閱讀習慣崩解、心靈神遊被打斷、追蹤及操控人的科技興起、殘酷的樂觀主義抬頭、壓力激增、持續惡化的飲食與環境汙染、注意力不足過動症、對下一代身心的限制。在每一個課題中，海利都訪問了關於該問題最頂尖的學者，並且也總結出一些解決方案。

我們愈來愈習慣多工處理，可是即使是電腦，也從不是真正的多工處理，只是電腦切換工作的速度快到我們難以察覺，直到當機為止。可是我們的大腦在任務切換之間需要更多時間來適應，於是大量心神和時間就被白白浪費掉了。我自己承認，這篇文章從頭寫到這，我已看了好幾次LINE和電郵，還有一個YouTube短片。

雖然我們知道，專家也告訴我們，要遠離讓我們分心的事物，可是單憑意志力是不夠的，因為意志力也是消耗品，用意志力對抗分心，無疑會賠了夫人又折兵。《誰偷走了你的專注力？》主張，擺脫分心的最好方法之一，就是找到進入心流的方式。

心流狀態，就像一個藝術家全神貫注於創作，或者一個攀岩者攀登一座陌生的山峰那樣。當我們全神貫注於正在做的事情時，會全然忘我的感覺。這是我們已知的最深層次的專注力。要進入心流，需要明確且有意義的目標，在我們的能力範圍內有一定的難度但可以努力辦到。獲得的心流越多，就會越快樂、越健康。從事各種創作能進入心流狀態，讓人感覺更輕鬆。海利主張，為了從注意力危機中恢復過來，我們需要用心流來取代分心。

《誰偷走了你的專注力？》還指出，一些和健康有關的因素也影響了我們的專注力，睡眠不足就是其中之一。我們的睡眠時間，可能和百年前的阿宅相比少了兩成，除了手機中有太多吸引我們注意到忘了睡覺的東西，螢幕發出的藍光，還有在夜間的其他不自然光線，都影響了睡眠的時間和品質。

當然，現在好玩的事物似乎太多了，幹嘛浪費時間睡覺？各種社交媒體無所不用其極地讓我們花費大量的時間和精力在其中，當然是要大撈特撈各種資料，並且誘拐我們過度消費，來喂飽他們的荷包。完全放棄使用社交媒體，其實是另一種妥協的方式，海利認為我們該做的是增加掌控方式，例如關於通知，把使用時間集中，而非被動被狂打擾。

老實說，我讀到海利為了不再被手機打擾，找了一個小鎮租了屋去做沒有手機和網路生活的實驗，結果他當然非常痛苦。那是以宅攻宅，我們大可不必那麼極端，因為這種生活太奢侈，也難以持續。很多人也問我怎麼讀書不會分心被打擾，我自己的做法很簡單，就是自己打擾自己——每讀完一兩章，不管想不想要，都強迫自己一定要滑手機上社群網站至少五分鐘，寫文章時也強迫自己每四十五至五十分鐘，不管還想不想繼續寫，也都要幹同樣的事。如果你試一試那樣強迫自己，還覺得社交媒體很有趣也沒關係，反正你還是有時間盡情地滑。

深受其害的海利，為了找回專注力，像是拜師學藝一樣，幾乎把能問的專家和能找的解決方案，都嘗試了一遍，這本書也算是他的自救手冊，對專注力淪喪的我們，可以專注地找回專注力，就像我開頭說的，當你讀完這本《誰偷走了你的專注力？》，你就贏了重要的一回合！

本文原刊登於閱讀最前線【GENE思書軒】