Transcript 生命的特徵與多樣性
生命的特徵與多樣性 What is life? 生命蘊含於生物之中 生物是生命的表現形式 生物的基本特徵 – 傳統說法 新陳代謝：地層保存的植物種子和南極永凍 層冰封的細菌是延緩新陳代謝的極端例子。 形成細胞：病毒並非嚴格定義的生命形式。 生長發育：歷經量變與質變。海水曬鹽NaCl 晶體長大僅有增量。 遺傳變異：既保存物種種性的穩定，又逐漸 累積適應環境的變異，使物種不斷演化，推 陳出新。 反應活動：在物質、能量、信息等方面與自 然保持密切、適當的關係。 生物的基本特徵 – 另一種說法 D. Krogh在教科書Biology（2000）中提出生 物具有以下八大特徵：1.能收集利用能量； 2.能對環境反應；3.能維持內部相當穩定的 環境；4.具有能遺傳的資訊基礎；5.能根據 遺傳訊息複製；6.為一個或多個細胞組成； 7.從其他生物所衍生而來；8.結構比無生物 複雜得多。 生命是什麼？比較簡化的說法 英國演化生物學家史密斯定義：生命，是任 何實體的種群，具有增殖、遺傳與變異的特 質。 美國聖塔菲研究所的科學家考夫曼定義：生 命，是一個具備可預期的、彙積的自我組構 特質，一種具觸媒式的聚合體 (polymer)。 Ref: 程延年。創生論–生命起源的科學追尋。 科學月刊，451期 （2007.7月號)，488-489 頁。 生命是什麼？比較抽象的說法 生命是高度有序化的存在 生命是有序化的發展過程：個體生命的有序 化過程是按圖施工 生命是動態的 生命不是永恆的 生命是高度有序化的存在 由20幾種化學元素建立了以核酸、蛋白、多 醣、脂類等高度有序的生命巨分子為基石的 生命結構單元－細胞，進而構成嚴密分工、 相互依存、井然有序的組織、器官、系統乃 至個體。 染色體DNA是遺傳信息的貯存庫，各種基因 都是高度有序的生命遺傳信息載體。 生命中的信息流向呈現規則的流動性。DNA 的半保留式複製。DNA轉錄mRNA，RNA病 毒反轉錄DNA。mRNA轉譯蛋白質。 個體 → 種群 → 生態系？ 生命是有序化的發展過程 熱力學第二定律：封閉系統裏，能量總是從 高處流向低處。每次能量被傳遞或轉換，就 會增加系統的熵(entropy, S, 混亂度)，系統 從有序漸漸變成無序，系統的熵最終將達到 最大值。這是一個不可逆的過程。生命卻是 一個從無序到有序的發展過程。這是一個與 非生命的自然界截然相反的過程。（需要外 在的能量） 個體生命：受精卵→細胞分裂、分化→器官 →誕生出世→成長。 整體生物演化過程：有機物→細胞 / 單細 胞→多細胞 / 簡單→複雜 人類社會？：原始社會到今天的後工業社會， 消耗能量、積累物質，而且能力和速度越來 越快。 個體生命的有序化過程是按圖施工 個體生命的有序化存在著藍圖或指令，即所 謂的基因，其本質是存在於染色體中的DNA。 細胞分裂或無性繁殖是細胞中所有基因的自 我複製。 有性繁殖是來自雙親精子和卵子中所攜帶遺 傳基因排列組合而成為受精卵。 根據生命的藍圖或指令，在基因的調控下， 一個細菌分裂成兩個細菌，一顆綠豆發芽長 成一株綠豆苗，雞蛋孵化後成爲一隻小雞。 生命的演化：適應環境的變遷，有沒有預定 的方向？ 生命是動態的 根據熱力學第二定律，從無序的低級形式轉 變成高度有序的生命形式，其轉化及維持過 程一定要藉助外界能量的輸入。 一切生物在維持生命活動的過程中，皆從自 然界獲得能量，包括光能、熱能、化學能等 多種形式，並根據熱力學第一定律（能量守 恆定律），進行多種能量形式的相互轉變 （新陳代謝），並同時向環境散發熱量。 生命的活動包括了物質的同化與異化、能量 的吸收與轉化、信息的接收與反饋、生物個 體的生長與繁衍。 生命不是永恆的 生命是一種「暫時」逆熱力學的自然現象。 個體生物從誕生起就與大自然持續抗爭。歷 經各種階段，最終逐漸走向衰老、死亡、解 體，回歸自然，實現熱力學平衡。 生命積累能量是以消耗宇宙更多的能量為代 價。有機體生長所體現的熵的微小的、局部 的遞減，都伴隨著宇宙總熵的更大範圍的遞 增。因此，生命正在使世界加速走向「熱 寂」。在無窮大的時間和空間尺度上，生命 以及我們生存的世界是「死定了」。 隨著生命科學的不斷發展，人類能否找到生 命與非生命世界「和平共處」的方式，在比 「無窮大」稍稍小一點的時間尺度內，使人 類能夠子孫萬代地繁衍下去。 課外活動 1 思考 1. 如果在火星發現生物，那會是什麼樣子？ 觀看電影 Star Trek: The Motion Picture (星艦迷航記) , 1979. Starring: William Shatner, Leonard Nimoy, DeForest Kelley et., al. Director: Robert Wise 課外活動 2 思考 1. 如果生物科技創造出沒有生育能力的複製 人，然後取其器官作為移植之用。算不算殘 害生命？會不會傷害了人性的尊嚴？ 2. 從什麼時候開始，生命才開始被重視？精 子或卵子、受精卵、胚胎、胎兒、嬰兒、兒 童… 觀看電影 The Island (絕地再生) , 2005. Starring: Ewan McGregor, Scarlett Johansson Director: Michael Bay 課外活動 3 思考 1. 如果古代地球的生物長生不死，是否有人 類出現的機會？ 2. 如果自古至今地球曾經出現的生物都未曾 腐朽，是否有人類出現的機會？ 3. 如果醫學科技透過幹細胞技術、器官移植 可以使人長生不死，你願意嗎？ 觀看電影 Vanilla Sky (香草天空 ), 2001. Starring: Tom Cruise, Penelope Cruz et. al. Director: Cameron Crowe 生命知識的其他面向 生命的起源 生命的運作 生命的多樣 生命的極限 生命的起源 科學家認為地球上的生物大約在四十億年前 由原始海洋中以微生物的面貌出現。經過長 時間的演化才呈現出今日地球上豐富多樣的 生物。最早的微生物化石在約有三十五億年 歷史的古老岩石中發現。距今約二十五億年 前形成會產生氧氣的光合細菌，至二十億年 前大氣中含氧量約1%，隨著大氣中氧氣含 量的增加慢慢產生臭氧可以阻擋一部份的太 陽紫外線，隨後大約在五億八千萬年前演化 出進行呼吸作用的好氧菌(aerobes)，而後快 速演化形成真核生物和多細胞生物，最後產 生動物和植物。 生命的運作 經由「生物化學上的一致性(unity in biochemistry)」的觀念，科學家發現微生物 的許多生物化學反應（代謝、生物合成等反 應）和所有生物（包括人類）在本質上完全 相同。而所有生物的遺傳訊息也都儲存在 DNA分子上，並以相同的程序（由DNA轉錄 到RNA，再由RNA轉譯為蛋白質）和編碼系 統（同一組密碼子對應同一種氨基酸）表達。 生命的多樣 生物多樣性(biodiversity)是現今生態學非常 關注的一個課題。現代生物學家利用核糖體 RNA的序列分析，比較生物之間的親源關係， 而將生物世界區分為三大領域：細菌域 (Bacteria, 先前稱為真細菌 eubacteria)、古 菌域(Archaea, 先前稱為古細菌 archaeobacteria)和真核生物域(Eucarya)。 前兩者都是所謂沒有細胞核的原核生物 (procaryotes)。真核生物域則包括了原生生 物界(Protista)、真菌界(Fungi)、植物界 (Plantae)和動物界(Animallia)。前面提到的 各大類別生物，除了植物界和動物界，都屬 於微生物的世界。 微生物的多樣 微生物更在生理和生態方面展現豐富的多樣 性。例如，依營養方式可分為：分解各種有 機物（天然的，甚或是人造的）者如真菌和 大多數細菌、進行光合作用者如藻類和光合 細菌、氧化無機物作為生長能量者如硫磺菌 和硝化菌；依對氧氣的反應可分為：需要氧 氣進行呼吸作用的好氧菌(aerobes)、不需要 氧氣而進行醱酵作用或無氧呼吸的厭氧菌 (anaerobes)；有自由生存於陸地、河流、 湖泊或海洋者，也有與動、植物共生或寄生 者；此外更有在各種極端環境下生活的微生 物。 生命的極限 現今地球被海洋覆蓋，大氣含有21 %的氧 氣，平均溫度15℃，適合生命的存在。生物 圈（biosphere）內的物理、化學環境差異 卻很大，但微生物能在各種極端環境下生活。 例如：嗜鹽菌可在15 % 甚至飽和的（6.2 M, 約362 g/L）氯化鈉水溶液中生長，嗜酸菌 可在pH 3 甚至pH 0.5生長，嗜鹼菌可在pH 10 甚至更高的pH值生長，嗜熱菌可在85100 ℃的陸地溫泉甚至110℃或更高溫的海 底熱泉生長，嗜冷菌可在0℃生長，嗜壓菌 可在400 atm甚至更高的壓力下生長。此外 微生物產生的孢子（spores）常可在比前述 條件更嚴苛的環境中保存下來，等待遇到適 當的環境再萌發生長。 生物的分類 生物分類的歷史 亞里士多德(Aristotle )：動物和植物。1735 瑞典植物學家林奈(Linne)《自然系統》，二 名法，建立以綱、目、屬、種為框架的生物 分類系統。 1866德國博物學家海克爾(Ernst Haeckel)： 植物、動物、原生生物三界。光學顯微鏡。 1956柯培蘭德(Herbert Copeland )：原核生 物、原始有核、後生植物、後生動物四界。 電子顯微鏡。 1959魏泰克(Robert Whittaker )：原核生物、 原生生物、真菌、植物、動物五界。 1990伍茲(Carl Woose)：細菌、古菌和真核 生物三大領域(domains) 。 生物分類的系統 域、界、門、綱、目、科、屬、種 每一級（域和界除外）之上可加超級(super-) 或每一級之下可設亞級(sub-) 生物命名法二名法：兩個拉丁字或拉丁化的字組成。第 一字為屬名，第一字母要大寫；第二字為種 名，表示主要特徵或產地。學名之後應寫命 名人的姓氏或其縮寫。 三名法：種名之後寫上sub.（亞種）或var. （變種），再加一個反應主要特徵的拉丁字。 屬及屬以下的學名都應以斜體字打印，或手 寫時在學名之下劃橫線表示。 Homo sapiens L.（智人） 生物分類的依據 型態和功能 生理和生化特性 分子分類(DNA、蛋白質) 病毒(virus)與類病毒(viroid) 動物、植物或細菌病毒（嗜菌體）。 DNA或RNA病毒；單股、雙股。 溫和或烈性病毒。 類病毒僅為RNA，寄生於植物。 近年更發現造成狂牛症的病原體是被命名為 普恩（Prion）的蛋白質。 冠狀病毒(coronavirus) 具有外套膜(envelope)的正鏈單股RNA病毒， 直徑約60-220nm，電子顯微鏡下可見外套膜 有 形 狀 類 似 日 冕 的 棘 突 ， 其 RNA 長 約 27~31kb，為已知最大的RNA病毒。 過去分為三大類，其中兩類感染哺乳動物， 另一類只感染鳥類，主要引發呼吸道與腸道 感染。SARS冠狀病毒列為第四大類。 引起的人類疾病主要是呼吸系統感染。該病 毒對溫度很敏感，33℃時生長良好，但35℃ 就受到抑制。冬季和早春是流行季節。是成 人普通感冒的主要病原之一，兒童感染率較 高，主要是上呼吸道感染，很少波及下呼吸 道。還可引起嬰兒和新生兒急性腸胃炎。 嚴重急性呼吸道症候群 (severe acute respiratory syndrome, SARS)病毒 2002年冬～2003年春，中國大陸爆發疫情， 波及香港、台灣、新加坡、越南等亞洲國家 或地區，甚至傳到加拿大。平均死亡率約一 成。中國稱為「傳染性非典型肺炎 」。 SARS元兇為突變的新種冠狀病毒，可能源自 非人類的動物冠狀病毒，基因組長度約為二 萬 九 千 七 百 多 個 鹼 基 (29.7kb) 。 果 子 狸 為 SARS冠狀病毒的主要載體。 流感病毒（influenza virus）-1 單股負鏈RNA病毒。造成急性上呼吸道感染， 免疫力較弱的老人或小孩及一些免疫失調的 病人會引起肺炎或是心肺衰竭等症狀。藉由 空氣迅速傳播，在世界各地常會有週期性的 大流行。1918年流行性感冒A型病毒全球大 流行，死亡人數超過四千萬人。 根據感染對象可分為人類、豬、馬及禽流感 病毒等類群，其中人類流感病毒根據其核蛋 白的抗原性可分為A、B、C三型。感染鳥類、 豬等其他動物的流感病毒，其核蛋白的抗原 性與人類A型流感病毒相同。 在感染人類的三種流感病毒中，A型流感病毒 有著極強的變異性，B型次之，而C型流感病 毒的抗原性非常穩定。 流感病毒（influenza virus）-2 流感病毒呈球形，新分離株多呈絲狀，其直 徑在80至120nm之間，絲狀流感病毒的長度 可達400nm。 流感病毒結構自外而內可分為包膜、基質及 核心三部分。 A型流感病毒包膜中有兩種非 常重要的醣蛋白：紅血球凝集素 (hemagglutinin；HA 醣蛋白)，和神經氨酸酶 (neuraminidase；NA 醣蛋白) 。 通常以HA及NA作為分類的基礎，目前已知有 15種HA與9種NA組合。禽鳥類皆可感染，以 H5、H7兩種亞型為主，人則是較容易被H1、 H3兩種亞型感染。 禽流感病毒（Avian Influenza virus, or Bird flu） 屬於A型流感（Influenza A）病毒的一支。 2003 ～ 2004 年 發 生 的 禽 流 感 病 毒 株 多 為 H5N1，台灣則曾爆發H5N2。 H5N1為高病原性，可以感染人，造成死亡。 雖然目前的研究並未發現病毒已突變至可以 在人與人之間快速傳播（突變成人流感）， 但這種突變的可能性的確存在。 另外值得擔憂的是以人為「混合容器」，讓 目前在人類流行的H3N2及H5N1禽流感兩種 病毒有機會共同感染同一宿主而造成其基因 的互換組裝成新的人類流感病毒。人類對此 新病毒缺乏抗體保護，可造成全球大流行。 人類免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus, HIV）-1 感染人類免疫系統細胞（包括輔助T細胞與 巨噬細胞等）的慢病毒，屬反轉錄病毒的一 種。導致後天性細胞免疫功能出現缺陷而產 生嚴重機會感染及/或繼發腫瘤並致命的愛 滋病(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS) 。 愛滋病自1981年在美國被識別並發展為全球 大流行，在2004年底，全球約四千萬人被感 染，該年並有三百餘萬人死於愛滋病；流行 狀況最為嚴重的仍是撒哈拉以南非洲，其次 是南亞與東南亞。 來自中西部非洲，並從靈長類動物跨種感染 進化傳到人類。 人類免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus, HIV）-2 直徑約120nm，大致呈球形。 病毒基因組是兩條相同的正鏈 RNA，每條長约9.2-9.8kb。 病毒外膜是磷脂雙分子層，來 自宿主細胞，並嵌有病毒的蛋 白質。向內是由蛋白質形成的 球形基質以及半錐形衣殼。衣殼內含有病毒 的RNA基因組、酶（逆轉錄酶、整合酶、蛋 白酶）以及其他來宿主細胞的成分。 人類免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus, HIV）-3 在病毒感染病程的一些時期，具有感染性的 病毒顆粒會存在於某些體液中，如血液、精 液、陰道分泌液、乳汁、唾液或傷口分泌液； 另一方面，病毒在體外環境中極不穩定。 因此，病毒的傳播途徑主要是不安全的性接 觸、靜脈注射、輸血、分娩、哺乳等；但通 常的工作、學習、社交、或家庭接觸，比如 完整皮膚間的接觸、共用坐便器、接觸汗液 等，不會傳播人類免疫缺陷病毒；與唾液或 淚液的通常接觸（如社交吻禮或短暫接吻） 也未有導致傳播人類免疫缺陷病毒的報告。 其他病毒 肝炎病毒 台北榮民總醫院內科部胃腸科衛教精選：病 毒性肝炎http://homepage.vghtpe.gov.tw/~gi/book/book7.htm 百度百科：病毒性肝炎 http://baike.baidu.com/view/17543.htm 伊波拉病毒 維基百科：埃博拉病毒 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%83%E5%8D%9A%E6 %8B%89%E7%97%85%E6%AF%92 課外活動 4 思考 1. 愛滋病或SARS是天譴嗎？是大自然的反 撲嗎？ 2. 人類還會面對未知的致命傳染病嗎？如何 自處？ 觀看電影 Outbreak (危機總動員) ,1995. Starring: Dustin Hoffman, Rene Russo, Morgan Freeman et., al. Director: Wolfgang Petersen • 課外活動 5 延伸閱讀 1. 病毒的故事／徐明達著（臺北市：天下雜 誌，民92） 2. 流行性感冒：1918流感全球大流行及致 命病毒的發現／吉娜‧科拉塔著；黃約翰譯 （臺北市：商周，民91） 3. 尋找第一個愛滋病毒／Jaap Goudsmit作； 洪蘭譯（臺北市：遠流，民89） 4. 槍炮、病菌與鋼鐵：人類社會的命運／ Jared Diamond 作；王道還，廖月娟譯（臺 北市：時報，民87） 原核生物界 古菌、細菌，例如： 放線菌（鏈黴素等抗生素） 藍細菌或稱藍藻（螺旋藻－較大型多胞藍藻， 蛋白質含量高達乾重的60%~70%） 原綠藻（與植物界一致的光合色素，不僅含 葉綠素a，還有葉綠素b，不含藻藍素） 掃描式電子顯微鏡觀察大腸桿菌 放線菌 藍（綠）藻 原生生物界：依營養方式分為三群 藻類：具光合作用能力，且保有在水中生長的 原始習性。可分綠藻、雜色藻、甲藻、裸藻、 隱藻、紅藻等門。 原生菌類：如黏菌 (slime molds) 和水黴 (water molds)。外表特徵與真菌界的成員相似，皆為 異營，但有游走細胞、具鞭毛或行變形蟲運動。 原生動物：大都為可運動的掠食者或寄生者， 可分為(1)具鞭毛者，如引起非洲昏睡病的錐體 蟲類、感染人類生殖道的滴蟲類；(2)似阿米巴 者，藉偽足移動，如有殼或無殼的變形蟲、有 孔蟲類、太陽蟲類和放射蟲類；(3)孢子蟲類， 能滑行或不能運動，如瘧原蟲；(4)纖毛蟲類， 利用眾多的纖毛來運動和覓食，如草履蟲。 真菌界 裸菌門：如粘菌綱 （原生生物界？） 游胞菌門：如寄生粘菌綱、卵菌綱（原生生 物界？） 無游胞菌門：如結合菌綱、毛菌綱、子囊菌 綱、擔子菌綱、不完全菌綱。 酵母菌與絲狀真菌。 靈芝、香菇、木耳、竹笙；醬油、豆腐乳、 釀酒；盤尼西林、冬蟲夏草。足癬。 植物界 藻類植物門：如綠藻、矽藻（與石油）、紅 藻（與紫菜）、褐藻（與海帶）、裸藻（眼 蟲）（原生生物界？） 苔蘚植物門：包括苔綱（扁平狀、匍匐生長） 和蘚綱（略呈直立狀） 蕨類植物門：具有維管束構造且以孢子繁殖； 現存約有一萬餘種（煤炭） 種子植物門：裸子植物亞門（開花卻沒有花 朵的造形和明豔的色彩，種子裸露在外而沒 有周密的保護構造；現存800餘種，蘇鐵、 銀杏、加州巨杉樹齡達3000年以上）、被子 植物亞門（種子有子房壁【即果皮】包被的 植物；現存達25萬種；分成雙子葉植物和單 子葉植物）。 動物界 - 1 原生動物門：草履蟲、變形蟲、瘧原蟲（原 生生物界？） 腔腸動物門：水螅、水母、珊瑚 扁形動物門：渦蟲、吸蟲、絛（ㄊㄠ）蟲 線形動物門：蛔蟲 環節動物門：沙蠶、蚯蚓、醫蛭 軟體動物門：八萬餘種，動物界第二大門， 腹足綱－蝸牛、瓣鰓綱－貝、頭足綱－章魚、 鸚鵡螺 動物界 - 2 節 肢 動 物 門 ：超 過 100萬 種 ， 約 為 動 物 界 85%，如昆蟲綱、甲殼綱、蜘蛛綱、肢口綱 如鱟（ㄏㄡ\） 棘皮動物門：海膽、海參、海星、海百合 脊索動物門：約6萬餘種。尾索動物亞門如 海鞘，頭索動物亞門如文昌魚，脊椎動物亞 門－圓口綱、魚綱、兩棲綱、爬行綱、鳥綱、 哺乳綱。哺乳動物－有袋、胎盤。 課外活動 6 思考 1. 人類可否遠離其他生物，單獨存在？ 2. 維持人類長期生存的最小生態系統需要包 含哪些生物？ 3. 瀕臨絕種動物可以透過試管嬰兒、代理孕 母、複製動物等生物科技，進行復育。大費 周章是為了生態、經濟或文化目的？中國貓 熊、台灣梅花鹿、美國白頭海鵰 4. 台灣應否接受中國贈送的貓熊？