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生物與物理

2009-04-21 10:00迴響:17點閱:5824

 

        四月號的《科學人》有篇高涌泉的專欄文章,以〈當物理槓上生物〉為題,重述了當年物理學家湯姆森(William Thomson, 1824-1907,後封克爾文爵士 Lord Kelvin)以地熱計算地球壽命,得出地球年齡在兩千萬年到四億年之間的往事。由於該計算值比預估中生物演化所需的時間為低,因而讓達爾文大傷腦筋;直到一八八二年達爾文去世時,這個問題仍未解決。

 

        湯姆森是當時權威的物理學家,地位尊榮,物理學又是比生物學及地質學發展更完備的科學,物理學家講話自然大聲得多,甚至連美國作家馬克吐溫都說:「克爾文爵士是當今科學界最有權威的人,我想我們必須聽他的,接受他的觀點。」(As Lord Kelvin is the highest authority in science now living, I think we must yield to him and accept his views.

 

        由於湯姆森的原始假設裡有許多錯誤,所以他的計算再準確,也是「垃圾進、垃圾出」(garbage in garbage out, GIGO)。但真正推倒他地熱計算值的,是放射性物質於 1900 年的發現;放射性物質的衰變,會緩慢且穩定地放出熱能。因此,地熱可維持幾十億年而不衰。湯姆森雖未正式收回他的錯誤計算,但死前私下承認放射性物質的存在,使得他的一些假設已不再站得住腳。如今,一般公認的地球壽命在 40 億年左右,對生物的演化而言,綽綽有餘。

 

        最近讀到威爾森(Edward O. Wilson)為新書《演化:最初四十億年》(Evolution: The First Four Billion Years, Edited by Michael Ruse and Joseph Travis, 2009, Belknap Press of Harvard University Press)作的序,他是這麼寫的:

 

生物學裡各個領域都奠基於達爾文的演化觀念之上,已證據確鑿;因此,我們接受演化是了解生命的兩大定律(稱為「通則」亦可)之一,實屬允當。其中一條是說,構成生命體的所有成分與反應過程,歸根究柢都遵循物理與化學定律;這條定律在過去半世紀裡,推動了分子與細胞生物學的進步。至於定律之二,也是演化生物學以及大部分個體與環境生物學的基礎與成果之所繫,是說構成生命體的所有成分與反應過程,都是經由天擇的演化所形成的。

 

        生物由常見元素形成的分子組成,這些分子的行為也遵從物理及化學定律,早已是生物學家的共識,因此生物學與物理學及化學並無扞格之處。唯一的問題,是生命的複雜與突現(emergence)特性,目前還無法以物理及化學完全解釋。這是複雜系統(好比氣象預測、生態變化、股票起落等)的通性:我們只可能逼近真相,而無法完全了解及掌握。

 

        這種「知識極限」的想法歷史悠久,最近還有人提出數學理論來支持(參見四月號《科學人》新聞〈不可能的推論〉)。好幾年前,有物理學家聲稱,根據他們對於各種基本力及粒子的表現,將很快得出能解釋一切的單一理論;他們稱之為「大一統理論」(grand unified theory, GUT)。根據知識極限理論,針對 GUT 的追求,最多只能得出「幾乎解釋一切」的理論。饒是如此,也不妨礙有物理學家朝這方面繼續努力;就這一點而言,生物學家的野心小多了。

引用:http://blog.chinatimes.com/jenntser/archive/2009/04/21/397303.html
2009-04-21 10:00作者:潘震澤分類:閱讀筆記迴響:17點閱:5824

迴響與引用列表

回應: 生物與物理

學生物的,

John Asara 的恐龍蛋白研究,我在下一篇貼文的回應裡還有介紹,不知可看到?

http://blog.chinatimes.com/jenntser/archive/2009/04/23/398412.html

Epigenesis (外遺傳) 的發現,給後天環境影響先天基因的現象,提供了解釋,但其幅度大小,以及如何影響,還有得爭議。我說「只要不影響到 DNA,就不會傳給子代」,心裡也把「外遺傳」現象考慮在內的。

2009-08-27 21:18 潘震澤

回應: 生物與物理

另一個顛覆我們認知的,當屬一些epigenetics的研究。
傳統遺傳學不外乎central dogma和顯隱性allele的表現與否等等原則。
但是開始有證據告訴我們,遺傳會受到環境的影響而"改變",並且遺傳下去,
連過去認為無關緊要的silent mutation都被認為不再是無關緊要。
這些為所謂的"拉馬克主義"開啟了一些可能性。

另外一點是,拉馬克並非現在所謂"拉馬克主義"的發明人,也非集大成者,而是拉馬克時代流行的看法。這跟達爾文將當時的演化概念集大成,並想出selection的機制並不同。

2009-08-25 00:18 學生物的

回應: 生物與物理

有關恐龍的遺傳物質,近年已有所突破,
也就是潘老師在下面三樓所提到的報告。
先是在2007年從T. rex的大腿骨裡面發現了軟組織,
接著2009年又從鴨嘴龍的骨頭中找到類似的遺物。
科學家拿這些軟組織抽出來的胺基酸/膠原胜肽的序列和其他21種現生動物來跑親緣關係樹,
跑出來的結果是兩種恐龍一支,跟兩種鳥的另一支最近,跟其他的爬行動物關係比較遠。
這樣的結果並不支持鳥從"恐龍"演化出來的結果,但是這些科學家說得很"安全",
認為恐龍+鳥的關係是獲得支持的,但是T.rex跟鴨嘴龍的關係還需要更多研究。
(如果跑出來的親緣關係樹上暴龍(龍盤目獸腳亞目)和鳥在同一支,那就支持目前受到歡迎的恐龍變鳥假說)。

從化石上來說,考古學家雖然發現了不少有羽毛的獸腳類恐龍,但是他們的"羽毛"並不像原始的鳥羽有分叉的結構,
因此到底是趨同還是變化序列(transformation series)尚有疑問。

這說明了科學隨著科技的進步,科學家不斷地回頭檢視以前的假說,持續修正我們的認知。
八千萬年前的石化化石能保存蛋白質,就遠遠超過以往的認知。

2009-08-24 23:47 學生物的

回應: 生物與物理

jungping,

都歸在拉馬克頭上的「用進廢退說」,原則上自然還是錯的。後天取得的性狀,只要沒有影響到DNA,就不會傳給子代。

所以談演化用詞要很小心,免得落入「目的論」的謬誤:因為有需要,所以演化出來。實情是:族群中先有各式各樣的變異,遭受天擇的揀選後,某些對生存繁殖有益的性狀,才得以凸顯。

2009-04-28 08:48 潘震澤

回應: 生物與物理

我不是學生物的,但是對演化有些興趣。有些疑惑想要請教。
淑綺的回應中說:「...為了生存捕食而爬上樹,演化成有羽毛且短翅的恐龍.......」。不知道這使否就是屬於「用進廢退說」?可是我以為該學說已經過時、作廢了?還是我搞錯了、該學說仍然成立嗎?

2009-04-26 17:47 jungping

回應: 生物與物理

W,

謝謝你提供的資訊,我依稀記得兩年前讀過這則新聞,倒底不是自己專長,看過就忘。Asara 的團隊就此發現,已在Sciemce及Nature發表了四篇文章,給恐龍與雞之間的血緣關係,提供了更強的支持證據。

2009-04-24 11:19 潘震澤

回應: 生物與物理

Lovely discussion. Check out this link below for proteomics evidence on Chicken and T.rex.

http://focus.hms.harvard.edu/2007/042007/proteomics.shtml

2009-04-24 09:59 W

回應: 生物與物理

日前我寫的回應文,最後一段措詞不當,謹此更正,並向淑綺及眾網友致歉。我的本意是要說,若有翅的恐龍不易飛行,則除了翅膀之長短因素外,體重因素也要考慮。

在此另外補充。鳥類會不會飛,其羽毛的羽根所在的位置很重要。大體來說,不會飛的鳥,其羽毛的羽根幾乎都長在中央;而會飛的鳥,其羽根則偏向迎風面,即羽根位在羽毛的前緣。這是因為羽根是羽毛的主要支撐結構,位在前緣處有很好的空氣動力學理由。

根據前述,則始祖鳥可能會非,因為其羽根明顯偏向一側。始祖鳥的化石發現於1860年,但直到1978年,才有科學家根據羽根生長的位置,來判斷始祖鳥究竟能飛否。

2009-04-23 21:28 文炫

回應: 生物與物理

三疊紀晚期(大約兩億多年前),大氣中氧氣的含量降到極低(約目前的一半,原因不明),大型動物都撐不住,早期恐龍中只有蜥臀目(Saurischia)苟延殘喘存活較多,原因是它們發展出氣囊,吐納分離,大大提高攝氧的效率。到後來的侏羅紀(大氣氧含量慢慢恢復,最高時為目前130%),其他綱目動物攝氧能力差,比不上敏捷的蜥臀目恐龍後裔,只能維持小型體態,或晝伏,或夜出,眼巴巴的看恐龍越長越巨大,稱霸地球。鳥類始祖演化於蜥臀目,氣囊更多,攝氧能力更強,可在氧氣稀薄的高空飛翔。
另,鳥類骨骼內部的多孔結構與恐龍也很相似。
NSF--"Study Documents Bird-like Breathing Systems in Long-extinct Dinosaurs"

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「知識極限」

每隻蒼蠅都會撞玻璃窗。其認知能力明顯不足。

不知大猩猩有沒有極限無窮的觀念?有沒有遞回(Recursive)的思維?他們有無解釋解釋宇宙的能力。
人類可以判定人猿、海豚、鸚鵡、烏鴉思索能力大概都有限。

那,我們這種有無限遐思能力的動物,其能力是否無限。誰能判定人類的能力「夠格」。Neil DeGrasse Tyson 說,人跟大猩猩DNA差不到2%.......若我們「差」另一種動物10%,他們會不會看我們天天在撞玻璃窗?認知能力明顯不足。

看看那些科普期刊,每兩三期封面不是宇宙這,就是宇宙那,平行宇宙,無限多重宇宙,弦論,在在無法驗證,到底是科學還是弦學還是玄學。追其根源,跟一週刊一樣,聳動一些,多賣幾本。

真不知道這些天天思念GUT的物理學家,有沒有被Santiago Ramon y Cajal的棒子敲過腦袋,「As long as our brain is a mystery, the universe, the reflection of the structure of the brain will also be a mystery」

2009-04-23 20:19 patoo

回應: 生物與物理

真理越辯越明,很高興大家對我的提問有興趣。
我會說火雞是恐龍的祖先而非鳥類,其實是從國家地理頻道於二月播出的紀念達爾文200週年影片中得知的。影片中提出了很多證據證明兩者間的關係。提到的概念是:大型的恐龍在大滅絕中已經都絕種了,只剩下小型的迅猛龍(小盜龍類)因為體型小可以躲在樹洞或地底而活了下來,由於物種所剩無幾,為了生存捕食而爬上樹,演化成有羽毛且短翅的恐龍,以便在樹間滑翔做短暫的飛行,所以以其骨骼結構與短翅來看,只有現代火雞符合這項標準。
其他會飛的鳥類被認為是始祖鳥的後代,中國也發現了有大翅膀與羽毛但有尾巴的恐龍,被認為是介於鳥類與恐龍類的中間型。鳥類似乎是另一個不同的分支。
有錯還請指正。

2009-04-23 16:27 淑綺

回應: 生物與物理

看來鳥類的出現確實比有羽恐龍出現晚得多,所以有羽恐龍確實是鳥類的祖先沒錯.我沒弄清楚,搞錯了.謝謝無言的指正.

2009-04-23 08:13 纖毛蟲

回應: 生物與物理

我一直以為恐龍為鳥類的直系祖先.每次大陸又發現了帶有羽毛的恐龍時,新聞報導都會再次強調二者的關係.

今見纖毛蟲君說二者關係僅止於「有共同祖先」,故特地上網查了一下.維基的這個網頁

http://en.wikipedia.org/wiki/Feathered_dinosaurs

有下面這一句話:

By the 1990s, most paleontologists considered birds to be surviving dinosaurs and referred to 'non-avian dinosaurs' (all extinct), to distinguish them from birds (aves).

由此看來,大部份的古生物學家都認為鳥類的祖先是恐龍.

2009-04-23 02:51 無言

回應: 生物與物理

淑綺說:「...遠古世紀的恐龍演化至今,竟然變成了『火雞』!火雞是恐龍的後代...」

這跟「人類是由猿猴演化而來的」說法一樣,是一個讓人困惑混淆的說法,而反映出來也是一般對於演化概念陳述的不精準.比較精確的講法是:現今的鳥類與當年的某些恐龍,具有相同的共同祖先.這個祖先種有不同的遺傳變異,經過天擇篩選與生殖隔離,衍生出不同的物種.有的變成某幾類恐龍,有的變成當今鳥類的始祖.被我們稱為「恐龍」的那些物種現在滅絕了,變成鳥類始祖的存活下來繼續演化,成為當今的鳥類.所以火雞不是恐龍的後代,並不是迅猛龍變成了火雞.但是可以說火雞的祖先與某些恐龍,在遠古時代系出同源.(這裡強調說「某些」恐龍,是因為人們泛稱的各種「恐龍」們,可能也不是全出自單系,而是系出多源的集合泛稱;而往前追溯到這些多系的共同祖先時,就包括其他不被稱為「恐龍」的物種在內.)

不過也許淑綺的重點在認為要有分子證據來佐證,鳥類與恐龍具有演化親緣關係的論點才比較有說服力.我想這是個好問題.環境的天擇可能讓沒有親緣關係的物種因為趨同演化,運用微觀上不同的蛋白質組成與調控機轉,而產生巨觀上相似的型態構造,但是要讓DNA序列分別演化成相同的樣態,機率就太低了.這個問題的答案,潘老師與郭政毅網友都提出來了--癥結就在:人類現在曾經定序解出任何一種恐龍的任何一個基因嗎?據我所知,還沒有吧.所以應該不是人們不想去做,而是材料與技術所限.我相信如果有一天,有人真能從某些化石或特殊標本中萃取得到任何一種古生物的DNA,人們一定會去定序,去探討古生物與當今物種的親緣關係--就像對長毛象與現生的兩種大象所做的研究一樣.

2009-04-22 21:36 纖毛蟲

回應: 生物與物理

我雖是外行人, 倒是可以來拋磚引玉一下:

1. 恐龍滅絕時間差不多都有6500萬年, 骨頭原來的成份都被礦物所取代成化石了, 更何況於有機物的DNA. 即便不分解殆盡, 也很難確認 DNA 是否為恐龍所有, 還是其他的污染物.

2. 文炫先生所言極是, 但是為免一般人誤解, 談到演化首重的還是 "適者生存" 的概念, 物理等機械性原則只用來分析而已. 否則亞洲象又為何比非洲象小些可能又很難說清楚了. 更別提所謂的 "性擇" 現象了.

2009-04-22 13:44 郭政毅

回應: 生物與物理

不僅生物體的分子行為遵從物理定律,其大小、體貌也遵從物理定律,即伽利略所發現的尺度定律(scaling law)。茲舉一例,為何歐洲人(白種人)比亞、非洲人(有色人種)來得高大?乃因歐洲人住在溫帶地區,亞、非洲人則住在亞熱帶、熱帶地區,身體散熱需要較有效率。矮小的軀體相比於大軀體的來說,其表面積對體積的比例較大,較易散熱。當然,這也是演化之功。

同理,北極熊的軀體就比世界其他地區的熊類來得大。南極的企鵝是世界上最大型的企鵝(有人或許奇怪,其他地區也產企鵝?沒錯,而且還是赤道地區)。這都能用同一物理學解釋。

體貌也有影響。因紐特(Inuit,即愛斯基摩)人,之所以長得比較「圓形」。即因,各種形體之中,其表面積對體積的比例,以圓形體最小。

至於,潘教授的高徒所提到的「不易飛行」的恐龍,原因不在翅膀短,而是體重一旦超過15公斤(大約數據),翅膀再長也一樣飛不起來,頂多滑翔吧了。所以,「如虎添翼」是個不懂物理學的成語。

2009-04-22 12:37 文炫

回應: 生物與物理

淑綺,

謝謝你的造訪及留言。一晃有近十年沒見了吧?

如迅猛龍一類的小盜龍,是鳥類 (不只是火雞) 的祖先,是目前的共識。2003 年 4 月號的「科學人」有篇文章「牠是恐龍還是鳥?」可以找出來參考。至於 DNA 比對嘛,我想是恐龍化石裡很難找到完整可用的 DNA 是主因 (「侏儸紀公園」究竟是小說)。你曉得這不是我的專長,你不妨繼續找找資料,有新發現再告訴我。

2009-04-22 05:22 潘震澤

回應: 生物與物理

潘老師您好:
我是您以前陽明研究所的學生喔!以前就很喜歡聽您上課,因為您上課很生動,也常會講自己求學的心路歷程,讓我覺得十分受用,也很欣賞老師您對寫文章的字字珠璣與要求,讓我受益良多,在此先謝謝老師。
因為對科普新知很感興趣,所以早在科學人雜誌創刊沒多久,我就已經訂閱至今,常看到潘老師的作品,我也常會拿雜誌中的相關內容去課堂上講授。不過最近才在雜誌上注意到潘老師的部落格,所以才進來瞧瞧,老師還是跟以前一樣,文章十分俐落,也很引人入勝。
最近我上通識課才剛講到演化,雖然以前大學生物系老師有教過演化論,也請我們把Nothing in biology makes sense without evolution 當作圭臬,但其實我對演化論還是只知皮毛而已。這幾期雜誌中的內容讓我對演化論有了更進一步的認知,也對授課幫助很大。人類胚胎有尾巴,有鰓裂,人類嬰兒骨骼與猩猩嬰兒骨骼相似,種種胚胎學與解剖學上的證據,其實就已經證實了演化論的存在。雜誌上那兩張說明疝氣與打嗝的圖,也更證明人類是演化而來的!
但是學生有個疑問:最近幾年從恐龍(迅猛龍)的骨骼結構發現,遠古世紀的恐龍演化至今,竟然變成了『火雞』!火雞是恐龍的後代,真是匪夷所思!從恐龍的化石發現其實恐龍是有羽毛的,骨骼上有羽根節,翅膀是短的,不易飛行,腳爪的型態與火雞相同,且脖子也是S型的,種種骨骼結構與生物力學上的證據都指向火雞是恐龍的後代,但我納悶的是:為什麼沒看到DNA的證據呢?如果有了DNA的證據,要說服大眾不是應該是更容易的事嗎?
懇請老師解惑,謝謝。

2009-04-22 01:33 淑綺

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