科學實驗

上帝撿到槍:生命科學密碼|學者破解困惑人類千年的難題:到底是先有雞,還是先有蛋?

先有雞,還是先有蛋?這是個困惑人類幾千年的古老問題。古希臘哲學家亞里斯多德(Aristotle,西元前384—西元前322)就說過:「不可能有第一顆生出鳥的蛋,因為那樣就必須先有鳥生出這第一顆蛋。」雖然他並沒有具體提到雞,但是由於所有的鳥類(包括雞)都生蛋,而且所有的鳥都由蛋孵化而來,所以談的是同一個邏輯難題。

亞里斯多德的說法也代表了許多人對這個問題的想法:是啊,鳥是從鳥蛋孵化出來的,而鳥蛋又是鳥生的;沒有鳥蛋就不可能有鳥,但沒有鳥,鳥蛋也無從產生,我們又怎麼能決定它們的先後呢?

按照佛教的說法,這個世界是沒有起始,也沒有結束的。生命也是如此,「一切世間如眾生、諸法等皆無有始」(《佛光大辭典》)。佛教認為任何事物都有前因,也有後果,而這種因果關係構成了一個無始無終的輪迴。所以鳥和蛋的關係也是這樣一種因果關係,並且一直存在,無始無終,也就沒有誰先誰後的問題。

與佛教的說法不同,基督教認為世間萬物都是上帝所造,所以「有始」。《聖經》中的〈創世紀〉就寫道:「神說,水中要有生命,要有雀鳥飛在地面之上、天空之中。神就造出大魚和水中各樣有生命的動物,各從其類;又造出各樣飛鳥,各從其類,神看著是好的。」在這裡,神「造出各種飛鳥」,並沒有說神先造出鳥蛋,再孵化成鳥,而如果我們接受這個說法,那這個世界上就先有鳥,後有鳥蛋。

科學研究的結果告訴我們,鳥類不是一開始就有。地球上的生命出現於約三十五億年以前,而目前發現的最古老的鳥類化石(出土於中國遼寧西部建昌縣的「徐氏曙光鳥」)只有約一億六千萬年的歷史。在那之前,恐龍已經在地球上生活七千多萬年了。多數科學家認為,鳥類是從恐龍,而且最可能是從「獸足亞目恐龍」(Theropod)演化而來。

科學家把「徐氏曙光鳥」骨骼構造中的近千個特徵,分別與恐龍和鳥類的骨骼特徵相較,認為牠是迄今為止發現、恐龍演化為鳥類過程中最早的環節,在演化階段上比在德國南部發現的「始祖鳥」早約一千萬年,是鳥類從恐龍演化而來最有力的證據。

和鳥類一樣,恐龍也是卵生,而且恐龍蛋和鳥蛋(如雞蛋)都屬於羊膜卵(amniotic egg)。這種卵的外部有堅固耐水的鈣質硬殼,上有氣孔,供胚胎呼吸;外殼裡面有一個蛋黃,為胚胎供應營養;胚胎浸泡在由羊膜包裹而成的羊膜囊的羊水中;此外還有尿囊,用來儲存代謝廢物。羊膜卵的這些構造特點,使胚胎可以在陸地乾燥的情況下生存,從而使脊椎動物的生殖過程擺脫對水的依賴。

魚類和兩棲類動物(如青蛙)這些比較低等脊椎動物的卵就不是羊膜卵,所以只能產卵在水裡,青蛙還必須經過蝌蚪的階段,最後才能上陸。

恐龍蛋和鳥蛋在構造上的一致性,說明類似雞蛋那樣的羊膜卵,遠在鳥類出現之前恐龍就已採用了。也就是說,脊椎動物從海洋進軍到陸地時所需要的卵結構的改變,在爬行動物(包括恐龍)階段就已經完成了,鳥類只是繼續使用而已。

從恐龍蛋變為鳥蛋,並沒有結構上的障礙需要跨越,所以現在鳥和鳥蛋的問題就變為:是恐龍先變成鳥,再產出鳥蛋,還是恐龍先產下鳥蛋,再孵化出鳥?要回答這個問題,就需要了解生物繁殖的過程和物種演化的機制。

 

大家都知道:生物的性狀是由遺傳物質,即去氧核醣核酸(DNA)所決定,「種瓜得瓜,種豆得豆」,就是因為瓜和豆的DNA不同。現代的動物複製技術,可以僅從一滴鼠血(血中白血球的DNA)誕生出複製鼠,說明DNA是決定生物性狀的關鍵物質。從恐龍到鳥的變化,也一定是由於DNA序列的改變,問題就是這個改變在什麼階段發生、在什麼細胞裡發生,以及這些改變對下一代的影響。

每個生物體,特別是像脊椎動物(包括魚類、兩棲類、爬蟲類、鳥類和哺乳類動物)這樣極度複雜,而且壽命較長(多以年計)生物的一生中,身體由於受到內部因素(如活性氧)和外部因素(如宇宙射線)持續不斷的攻擊,以及細胞分裂時DNA複製錯誤等原因,總會有一些細胞裡的DNA序列會突變。所以隨著年齡增長,身體一些細胞的DNA就不再和受精卵階段的DNA相同。

和其他脊椎動物一樣,恐龍身體裡面也有兩類細胞。一類是構成身體的體細胞,比如組成心臟、肝臟、大腦、皮膚的細胞都是體細胞,它們占身體細胞的絕大部分,具體執行各種生命活動;另一類是生殖細胞,它們的任務是繁殖下一代,和身體其他部分的生理功能無關。這兩類細胞裡面的DNA都會突變,但體細胞裡的突變和生殖細胞裡的突變,結果完全不同。

和體細胞不同,生殖細胞DNA的改變,會透過受精卵的分裂,出現在子代的每一個細胞中,包括所有體細胞,從而穩定影響子代身體的性狀。這種在子代身上出現的全身、統一的DNA改變,正是形成新個體和新物種的先決條件。

恐龍和鳥的另一個重大區別,是恐龍有牙齒而鳥沒有牙齒。牙齒的重要成分之一就是琺瑯質,即包裹在牙齒外面那層堅硬的物質,琺瑯質的形成需要釉蛋白(enamelin),如果釉蛋白的基因發生突變而喪失功能,就會影響牙齒的形成。研究發現,爬行動物都有正常的琺瑯質基因,但是鳥類的這些基因卻喪失功能,變成「偽基因」,這是鳥類沒有牙齒的原因之一。

生殖細胞中某個釉蛋白基因的突變,自然可以使這個基因喪失功能,但下一代卻仍然有可能長出牙齒。因為受精卵是由一個精子和一個卵子結合,發育出的動物具有雙套染色體,即有兩份遺傳物質,每個基因也是雙份。如果只有卵子中的釉蛋白基因喪失這個功能,而精子裡的釉蛋白基因的功能還存在,受精卵和由它發育出的動物就還會有一個正常的釉蛋白基因,所以還能長出牙齒;只有精子和卵子都帶有喪失功能的釉蛋白基因,受精卵發育出來的動物才沒有牙齒。

在這裡我們也可以假設:釉蛋白基因是決定是否長牙齒的唯一因素,並且把牙齒消失作為恐龍變為鳥的標誌。在兩隻琺瑯質基因都喪失功能的動物出現之前,一定只存在著一隻釉蛋白基因喪失功能的雄恐龍和雌恐龍,因為牠們都還有一個正常的釉蛋白基因,都還有牙齒,所以都還是恐龍。

而在牠們形成單套(只有一份遺傳物質)的生殖細胞時,喪失功能的釉蛋白基因、正常釉蛋白基因進入生殖細胞的機會均等,如果精子和卵子都正好含有喪失功能的釉蛋白基因,形成的受精卵中就沒有正常的釉蛋白基因,受精卵發育出來的動物就長不出牙齒,所以變成了鳥,也是恐龍產下了鳥蛋。

先有雞,還是先有雞蛋(或者先有鳥,還是先有鳥蛋)的問題之所以使人困惑,是因為把雞(或者鳥)看為一成不變的動物,鳥和蛋週而復始的循環,使人找不到這個問題的答案;但如果從演化的觀點來看鳥類的起源,並且了解生殖細胞DNA變異影響後代動物性狀的機制,這個問題是有答案的,那就是:先有鳥蛋,後有鳥。

▲本文節錄:上帝撿到槍:生命科學密碼一書

| 核稿編輯:Zoe
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Dion