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首都科学讲堂第683期《想要问问你敢不敢?演化大冲关!》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2021-03-07

  2021年3月6日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国疾病预防控制中心副研究员刘欢,为大家带来题为《想要问问你敢不敢?演化大冲关!》的精彩讲座。

  

想要问问你敢不敢?演化大冲关!

  十九世纪三十年代的一次环球航行,一位年轻的博物学家在五年时间里,见证了南美洲安第斯山脉的沧海桑田,邂逅了大洋洲环海大陆奇特的袋鼠和鸭嘴兽,开启了一段关于物种进化和生命起源的思索。无论是在天圆地方的中土世界,或者在造物主创世的奇迹花园,我们本能地坚信人类正是众生万物的天选之"子。工业革命巨擎迸发源源能量激发人们的豪情万丈,忽然间,关于“长颈鹿脖子如何变长”的理论成为焦点,犹如一石激起千层浪,这是生命存在与意义的永恒主题。Are You Ready?让我们跟着刘欢教授一起去揭开生命演化的神秘面纱,探索大自然的科学奥秘。

第一讲 我是谁?

  “我是谁?”可以说是人类的终极问题。关于人类的起源,东西方都有相关说法,在人类刚刚开始认识世界的时候,有很多的谜题无法用现实中的事例去解释,于是人们构思出了一些神话人物。

  西方世界中有上帝造人,即上帝创造天地和万物后,在第六日造人,且是按照自己的模样造出了人类。但是这里就有一个小小的疑问,我们知道耶稣诞生在亚洲,那么上帝也应是来自亚洲,如果上帝是按照自己的模样造出了人类,那么那些信奉上帝的欧洲人是怎么被造出来的?我们东方也有关于造人的神话传说,就是女娲造人。传说中,女娲把泥巴和水捏成了人的形状,然后吹了一口仙气,使他们都变成了活的人。

  由此可见,无论是东方还是西方的人类起源神话,都在给人们一种既定的概念和观念,即人从一开始就是由神造出来的,从造出来之"初到如今一直都是同样的状态,也就是说人类是一直不变的,是按照神的意志产生的一个凡间的代表。那么事实是不是这样呢?

  在中国古代,皇帝被称为天子,即“上天的儿子”,以此来让世人认可他的权威。而在中国历史上有两个王朝的皇帝是通过平民最后成为皇帝的,一位是汉朝的开国皇帝刘邦,另外一位是明朝的开国皇帝朱元璋。

  在刘邦创立汉朝之"初,可能还做了一些美化和加工的处理,比如说刘邦的大腿上有72颗痣,被说成是天上的72颗星宿。到了明朝朱元璋的时候,就很难再去创造这样的传说了,因为朱元璋的出身比刘邦还草根,他曾经当过乞丐。所以说,在中国很多人在客观认识上已经知道,大家都是大自然中的成员,并没有某个人是上天派来的使者,或者是上天的儿子。

  在西方也有一些事件标志着人们对宗教宣扬的“君权神授”思想产生怀疑。在欧洲封建历史进程中,一般由上帝在人间的代表——教皇来为欧洲的帝王进行加冕。这个加冕的过程实际上就是教皇代表上帝把王冠戴到国王的头上,意指君权是神授的。但其中有一个著名的历史事件,即拿破仑称帝时,在加冕仪式上把教皇手中的皇冠抢了过来,自己戴在自己的头上。这个事件反映了当时民众已经开始认识到,人可能更多的是一种自然的个体,人类社会也是这样自然形成的团体,人们对“神创世”“神创人”的理论产生怀疑。

  更大的思想改变发生在工业革命时期。在电影《泰坦尼克号》中,男主角杰克在船上高呼“I am the king of the world”,令许多人为之"振奋。这句话代表了当时的人们对运用科技手段产生的巨大能量来改造社会的信心。“泰坦尼克”号是英国在20世纪初造出来的一艘巨型邮轮,当时对外宣传是“一艘永不沉没的邮轮”,这样的庞然巨物使得人类开始对自身的起源进行反思,认为虽然我们不是上帝造的,但是我们是被上天选定来主宰这个世界的,我们人类是一群特殊的生命。

第二讲 “贝格尔”号

  那么人类是不是真的如此特殊,是被上天所选定的?在这个选定的过程中,我们与大自然有哪些互相选择的经历呢?这就要进入我们的第二部分“贝格尔号”。

  “贝格尔”号是什么?它是一艘军舰,在19世纪30年代进行了一次长达5年的环球航行。很巧的是,有一位年轻的博物学家也在这艘船上做科学考察,他就是达尔文。在这次科学考察中,达尔文发现了一些化石的存在,颠覆了他之"前对生命的理解,也开启了他对生命进化的科学思考。

  比如说,他在南美洲发现比较了两种非常奇特的动物。一种叫作树懒,行动迟缓,憨态可掬,非常可爱,还经常被做成卡通形象;另一种是大树懒,形象上有了很大的变化——但是这两种树懒虽说体型不太一样,从生物进化的角度来讲,却是有一定亲缘关系的。这就引起了达尔文的思考:如果说人或其他动物是被神创造的,那么形象应该是一成不变的,为什么有一些物种会在不同的时间段,或者不同的地理位置,呈现出不同的形态呢?

  他在安第斯山脉的一些重要发现也加深了他对整个世界的认识,对生物演化的过程有了一些大致的想法——他在南美洲的安第斯山脉发现了贝壳的化石。这些发现使得一些科学家提出了地球演化的过程,即沧海桑田,使得达尔文对整个地球环境的变化有了一个基本的认识。另外还有一些奇怪的现象,比如说袋鼠和鸭嘴兽,只在澳洲大陆存在。这又引起了达尔文的一个兴趣,他开始思考,如果要形成一个独特的物种,需要什么条件?是地理环境的隔离吗?毕竟澳洲四面环海,相当于一个天然的屏障,其物种进化是在相对隔离的环境下,是不是就是这样才慢慢演化成了一种独特的生物特征呢?

  此时达尔文已经对生物进化有了大致的理解,他提出了一个假设,如果所有的动物都能在一个合适的环境当中一直生存的话,那么用不了多久,这个世界上绝大部分的地域,都有可能被这个物种所占领。因为物种它会繁衍。

  以大象为例,假设一头大象能够活100年,一对大象在这100年中能够生六胎的话,经过750年就能够产生1900万头大象。但这是不现实的。毕竟从达尔文所在的时代倒推750年,已经有大象这个物种了,但现实中并没有近2000万头大象。因此达尔文不得不非常严肃地、认真地思考一个问题:生物的进化到底被什么在左右,或者说是什么因素决定了生物的进化?

第三讲 达尔文与进化论

  在经过上述思考后,达尔文在结束了“贝格尔”号5年的环球科学考察后提出了“进化论”,其中最重要的理论是“人类是由古猿逐渐演化而来的”,最重要的原则是“物竞天择”。达尔文认为,在自然界中,生物互相竞争,能适应环境的物种被选择存留下来,而那些没有适应环境的物种就被淘汰。

  比如说在非洲草原上,常有猎豹追逐斑马的场面。斑马为什么拼命奔跑?因为它要避免猎豹的追杀。而猎豹不停地奔跑是为了获取斑马作为食物,这就锻炼出了它们快速奔跑的物种能力。

  达尔文在进化论中首先选择了我们熟悉的家禽来解释生物进化的过程。比如说狗,就是狼在被人类驯化后产生的物种基础上变化而来;猪的原始形态是野猪的样子,长着非常锋利的两个獠牙,身上还有很多毛,只是作为人类肉食的主要来源,在人类不断地驯化过程中,慢慢地演化成了现在我们见到的家猪形象:肥头大耳,憨头憨脑。

  再比如说长颈鹿,达尔文认为,一开始长颈鹿的脖子有长的有短的,在寻找食物的过程中它们会去吃树上的叶子,渐渐地高度比较低的树叶被吃完了,长颈鹿要想生存就必须吃更高处的树叶,脖子必须长一点。也就是说,脖子长的长颈鹿生存的几率会高一些,而脖子短的长颈鹿够不到更高的树叶,就会因食物匮乏等原因而被淘汰掉,最后活下来的就都变成了我们今天见到的脖子很长的长颈鹿。

第四讲 谁主沉浮

  从“神创论”到“进化论”,关于人类起源的理论不断被质疑和验证,那么在生物演化的过程中,究竟是谁在主宰?生物个体和环境分别对生物演化起到什么样的作用?二者之"间的作用又是怎么交互的呢?

  我们经常会说两个同姓的人500年前是一家,这就说明人类一直认可有这样一条遗传脉络存在。在生物进化的过程中也有这样的一条脉络。科学家通过对化石的研究梳理出了生物从低级到高级、单细胞到多细胞、植物到动物的复杂演化过程。在生物的演化过程中,它们会因不同物种的特征而产生很多分支,演化出不同的形态,产生不同的门类,最终逐渐形成丰富多彩的生物物种。

  那么,怎么证明所有生物都是由简单的形态演化成各种各样的形态呢?科学地来说,地球上的生命形态最基本的单元是细胞,植物和动物都是如此。虽然动物细胞和植物细胞有很大的不同,比如有无细胞壁,能否进行光合作用等,但它们的特性都由遗传物质DNA决定。截至目前发现的地球上的所有生物的遗传信息,都由DNA里的ATCG(或RNA里的AUCG)四个密码子的不同排列组合来确定。这也就能说明,所有地球生物的起源实际上是一致的。

  达尔文曾在进化论中提出,生物演化是一个连续的、缓慢的过程,生物在进化到我们目前所认识到的形态和生物特征之"前,应该有一些过渡的形态。有人对这个观点提出了质疑——在寒武纪时期,忽然产生了一次生命大爆发,其规模之"大超乎想象,其中有一些生物与我们现在的物种都不相同,而且在寒武纪之"前和之"后也都没有过渡的形态。寒武纪化石群的发现给达尔文的渐进性进化论提出了一些挑战。

  对于这一现象,科学家在经过地质学、环境学、生物学等研究后,得出了一些科学推论。比如说,有观点认为,由于年代越久远的生物所在的地质层越深,因此,寒武纪之"前的地质层相对较深,更难被发掘,其中或许还有尚未被发掘的化石。也有观点认为,寒武纪生命大爆发期间,环境中氧气的含量相对于其他时期要高得多,因而促进了生物的繁荣,也给生物繁衍和演化提供了十分便利的条件,可能使得物种演化在这一时期显得特别活跃。值得注意的是,寒武纪并不是我们以为的10年、20年,而是几百万年、上千万年、上亿年的概念,实际上是一段十分漫长的时间。生物演化是一个群体事件,而不是单一事件。一个群体在漫长的时光中,通过环境的选择,有一些物种逐渐演化成了某一门类,另外一些物种可能变成了另外一种门类,是一个群体的过程。

  接下来要回答一个终极问题:人类到底是不是大自然最爱的人?是不是天选之"子?是不是大自然专门选出来的地球主宰?

  这里要讲到在达尔文进化论提出之"前的一种理论,由一位法国生物学家拉马克提出。拉马克认为人不是由神创造的,他也认为生物是进化的,进化过程是“用进废退”,也就是说多用会进化,少用就会退化。

  依然以长颈鹿为例,拉马克认为,受生活条件所限,当低处的树叶被吃光时,长颈鹿想要吃到更高一点的树叶就要努力地伸长脖子。经过不断地努力,慢慢地脖子就变长了,这才活下来了。他的理论就是,当生物的个体或者种群不断提升自己的某些生物学特性的时候,它就实现了自身的演化。

  举一个流行文化的例子来区分拉马克和达尔文的进化论,在动漫作品中,比如说一个赛亚人正常的战斗值只有1万,当遇到强敌时要燃烧自己的小宇宙,变成超级塞亚人,这个时候他的战斗值可能高达100万。像这样通过提升自己的战斗值来实现能力的跃升,就是拉马克进化理论:我提升我自己,直到能够在这个环境当中生存和适应下来。

  而另外一种可能就是宇宙中有很多强者,大家都来到地球上战斗,最后只有在地球上实力最强的人才能够胜出。如果最后胜出的是赛亚人,那只能说明赛亚人就是地球上最强的。这就是达尔文进化理论:由环境来选择能够适应它的物种。

  那么达尔文的进化论究竟有没有科学依据呢?来举几个例子验证一下,第一个就是疫苗。我们知道有一种由病毒引起的疾病,人畜共患病,它就是狂犬病。这种病毒不仅可以感染人,还可以感染动物,比如狗,在疫苗发明之"前,人类对狂犬病可以说是束手无策。直到19世纪后半叶,法国科学家路易·巴斯德研制出了狂犬病减毒疫苗。

  他从得病的犬类脊髓、脑髓和唾液当中收集动物组织,然后对狂犬病毒做减毒处理,也就是通过人工的方式使狂犬病毒的毒力降低,使之"只能引起较弱的不良反应,在不危及生命的前提下,反而刺激人体产生针对这种病原的抗体,使身体产生免疫能力。这就是减毒疫苗的原理。

  巴斯德将收集到的病毒溶液注射到健康的兔子身上,等这个兔子感染狂犬病后,他再把得了狂犬病的兔子的脊髓和脑髓取出来,然后再把这次取得的狂犬病毒注射到第二只健康的兔子身上。他就这样不断重复这个过程,经过了100多次的传代。

  为什么要进行多次传代呢?实际上多次传代就是要把狂犬病毒的生存环境从需要一只狂犬去咬人才能感染的“困难模式”变成直接注射进兔子体内的“简单模式”。在这个良好的培养环境下,病毒不需要有那么强的毒力就能生存,所以其毒力就会渐渐地降低。最后,巴斯德将经过多次传代的兔子的脊髓和脑髓抽取出来,对其进行干燥处理。地球上的生命都是需要水的,病毒也需要。一旦水分减少了,它的活力就会降低,也就是说毒力又降低了。

  这个减毒疫苗的研制实际上就是通过人工在动物体内环境的筛选,使病毒的毒力降低这样一个演化的过程。

  再比如说卡介苗,这是一种预防结核杆菌的疫苗,其研发过程是经过在体外不断地人工培养这个细菌,一共传了230代,经过了13年,才最终降低该细菌的毒力。这也是一个通过人工选择来实现生物演化的过程。另外,酶的人工定向进化技术,也是在体外模拟自然进化机制 (突变、重组和选择),使进化过程朝着人们需要的方向发展。

  最后,我们要尽量地去维护和促进全球的生物多样性。生物演化是一个自然选择的过程,人类固然有主动去认识和改造自然的能力,但也不能忘了,我们也只是大自然的一分子,生物多样性丧失将对人类生存和发展构成重大风险。如何更好地尊重自然、保护自然,是值得所有人认真思考的问题。