觀念生物學3：循環·網路·複雜（全新修訂版）

　　●生物學家、畫家、科學作家、媒體傳播人聯手出擊 　　●圖文並茂，帶你探索神祕的微生物世界 　　在遍覽了貫穿生物世界的16種模式之後， 　　現在，請你踏入鏡中世界， 　　造訪地球上最微小卻最充滿生命力的隱形居民——微生物。 　　其實，我們能活在這世界上，都多虧了微生物的幫忙。 　　微生物是推動碳、氮、氧等物質循環的幕後功臣， 　　也是把所有生命連結成複雜網絡所必需的「黏膠」。 　　說它們是地球生物圈的守護神，一點也不為過！ 　　這些小傢伙也是所有生物的老祖宗， 　　當今生物的多樣性， 　　都是從它們單細胞的祖先那兒一點一滴演化而來的。 　　想知道這個世界是怎麼運作的， 　　生命又是如何從單細胞演變得如此繽紛複雜嗎？ 　　請繼續瞧瞧《觀念生物學3》吧！

　　這真是一套精采的書， 　　用這麼吸引人又容易了解的方式， 　　把微生物的奇妙天地呈現出來。 　　搭配了充滿創造力又富啟發性的插圖， 　　更是增色不少，連細菌也活靈活現、人模人樣了！ 　　每個人都應該讀讀《觀念生物學3、4》！ 　　——戴維斯（Julian Davis），美國微生物學會前會長 　　能把科學用這麼清楚又有趣的方式介紹給大眾， 　　實在相當少見！⋯⋯ 　　作者以吸引人的實例、富啟發性的比喻、 　　以及引人深思的問題，來介紹書中的內容。 　　《觀念生物學3、4》真是一本通往一整座奇妙王國的護照。 　　——謝克特（Moselio Schaechter），《有菇為伴》作者 　　●頂尖高中推薦閱讀書單 　　●大學生物課程指定教材

前言一 走一趟小小小世界 前言二 微生物世界的居民 第一篇 生物圈的守護者 人類製造的垃圾問題 循環不息的生物圈 前進熱帶雨林 海洋中的微生物 深海溝裡的生命 大自然的自我療傷 所有生態系的總和 第二篇 生命的大樹 撼動生命的大樹 繽紛的生命 利用DNA建構生命的大樹 我們的枝條在哪裡？ 演化大躍變 向前走，向後走 譯後記 看不見的珍藏 圖片來源

前言 走一趟小小小世界 尼達姆、霍格蘭、麥克佛森、竇德生 （本書作者） 　　走入鏡中世界 　　想像你變成愛麗絲，走進奇妙的鏡中世界，你忽然瞬間縮小，變得很小很小，只有原來的二十萬分之一。你發現周遭的世界完全變了樣，簡直像來到另一個星球，裡頭充滿各種稀奇古怪的居民。 　　數十公分長、淡紫色的圍巾從你身邊穿過，蜿蜒起伏的朝著未知目的地前進。枕頭般大的綠紫色小飛船在水中打轉，慢慢向你靠近，忽然又發動推進器，「咻！」一下就不見蹤影。閃閃發亮的小東西在地上匍匐前進，變形的身軀像要用透明的液狀物包住周圍的一切。它停下來，盯著你跟你道日安，又繼續前進，沒留下半點痕跡。 　　附近有一圈金黃色的豆袋椅，上下跳動著，一會兒彼此靠得很近，一會兒又分開來，像在操場遊玩的小孩子。就在你欣賞它們跳芭蕾舞之際，它們倏地聚攏成一根巨大的長柄，頂端竟冒出像豆莢的東西。在對街，你看見一堆殘骸，那肯定是經歷一場傳染病浩劫後的產物。留下的空殼子漫無目的搖擺，它們的靜默與死寂提醒你這個世界中也有生有死，就和你原來居住的世界一樣。 　　這個小小世界的居民正是所謂的微生物，包括細菌、真菌、病毒、原生動物和藻類。大多數人把這類生物視為骯髒的病菌，其實這群「親密的陌生人」不是這麼簡單的東西，沒有它們，地球上的生態系是無法正常運作的。 　　在這肉眼看不見的世界裡，蘊藏著數量龐大的微小生物，它們的總數超過整個宇宙的星球數目，質量加總起來則高居地球生物之冠。儘管單槍匹馬的行動似乎沒什麼影響力，群體的力量集合起來時可就非同小可，它們改變了地球的樣貌，創造出充滿氧氣的大氣，這是人類和許多動物生存所必需的條件。現今，這群小東西繼續推動重要的化學循環反應，來維繫地球的生命運轉，它們的存在與活動影響著所有生物的未來。 　　這群隱形世界的居民早在人類出現前就已生活在地球上。其實，它們最古早的親戚正是地球上最初的生命形式。我們追蹤它們的演化史，可以上溯到35億年前或更早，當時的地球與現今的狀況相差甚遠。我們可以從它們的基因中閱讀它們的歷史，而我們（以及其他生物）的歷史則已寫在它們的基因中。當今生物的多樣性都是從這些單細胞的老祖宗那邊一點一滴演化而來的。 　　不過這些隱形的小傢伙也不全是善類。儘管我們與大多數微生物相安無事，但是有些種類的細菌（或真菌）就是會和我們或其他動植物作對，造成各種疾病。有一些微生物則是人類熟悉的敵人，我們已懂得因應之道。還有少數是致命的陌生人，可以快速顛覆我們，除非我們可以即刻發動強力的防禦措施。 　　親密的陌生人 　　儘管微生物在地球上生存了將近40億年，但我們發現它們的存在則是近代的事情。一直到放大鏡發明之後，我們才得以一窺微生物世界的形形色色、五花八門，就像愛麗絲走進奇妙的鏡中世界一般。 　　17世紀中期，荷蘭博物學家雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek, 1632-1723）從自製的顯微鏡中觀察到這些小東西，令他感到驚奇又有趣。隨著顯微鏡功能的改進，有更多人可以看到這些微生物的樣貌，大家都為之著迷不已。 　　不過一直到19世紀末期，人類才漸漸明瞭微生物不純粹是新奇好玩的東西。人們開始發現這些小東西的神奇力量，以及它們在地球生物圈中所扮演的角色。 　　法國細菌學家巴斯德（Louis Pasteur, 1822-1895）曾做實驗證明細菌是導致食物腐敗的因子，於是「生命是從腐爛物質中自動生成」的觀念從此打入冷宮。德國細菌學家柯霍（Robert Koch, 1843-1910）和其他科學家證明了某些微生物會導致疾病。這些前輩的發現為現今的滅菌消毒、公共衛生、疫苗注射等防疫措施開啟了大門，幫助我們杜絕微生物的禍害。到了1950年代，科學家已發現抗生素（antibiotic），這是由真菌產生的物質，可以治療前人無能為力的不治之症。 　　20世紀下半葉以來，人類探勘微生物世界所得的知識，正以驚人的速度成長中。研究微生物的科學家了解到DNA是遺傳物質、發現了生命的基本反應（例如生殖的過程與能量的轉移）如何進行、並探究出這些地球生命的始祖在演化上的重要性。現在科學家爭相挖掘更多這群小東西的祕密，去了解它們龐大且彼此相關的社群，以免人類的無知糟蹋了它們生存的環境，導致它們再度改變地球的面貌。到時人類也將把自己逼到山窮水盡的絕境，畢竟微生物是人類及其他動植物生存不可或缺的一環。 　　許多人相信，人類的未來端賴我們對這個隱形世界的了解與它的運作狀況而定。隨著人類對微生物的知識愈來愈豐富，我們漸漸進入與微生物合夥的新關係，利用它們的技能來解決一些人類的難題，例如治療與預防疾病、餵養愈來愈龐大的人口、清理汙染的環境。 　　這是一個充滿「親密陌生人」的世界，歡迎你帶著一份熱誠與好奇來參觀，別忘了盡你所能去了解這群地球上最古早也最成功的居民。 　　摘自《觀念生物學3》前言

前進熱帶雨林 地球上再也沒有一個地方像熱帶雨林那樣具有繁茂的生物多樣性與旺盛的物質交換作用。世上的每一個熱帶雨林都是豐富的生態系，任何走進雨林的訪客，無不立即讓林林總總的生物包圍，你的五官應接不暇，轉個彎或回個頭，處處有令人驚奇的新視野。 熱帶雨林蘊藏著肉眼世界中見得到的各種生物。單單是一棵樹上就可能居住著上百種的昆蟲、小動物以及其他種類的植物。而每一種肉眼可見的生物，都可能與上千種微生物交織出複雜密切的關係。 哥斯大黎加是位在中美洲的小國家，它的地形彷彿是銜接著北半球與南半球的狹長陸橋。難得的是，這個小國目前已懂得重視本身珍貴的熱帶雨林生態系，其他的開發中國家還缺乏這種覺醒。哥斯大黎加的人民已經和一些頂尖的科學家共同設立若干自然實驗室，準備探勘雨林生物的複雜關係，這些複雜關係正是此地物種多樣性的源頭。 生物網的「黏膠」 前來哥斯大黎加的自然實驗室做研究的生物學家及微生物學家各有不同的目的。詹特森（Dan Jantzen）和哈娃（Winny Halwachs）是一對夫妻檔，他們想要找出所有居住在這個熱帶雨林的生物，好為此地豐富的物種做一個完整的名錄。他們希望這樣的名錄可以幫助科學家更了解這個地區特有的物種多樣性，並追蹤未來這些物種組成的變化。 詹特森和哈娃把生命奉獻給一塊受到破壞的雨林，地點位在哥斯大黎加西北角的瓜納開斯塔保護區。當初這裡曾因放牧之故遭燒毀，目前夫妻倆正致力拯救這塊雨林。這對夫妻雖然並非微生物學背景出身，卻能了解微生物在這種特殊環境中所扮演的重要角色。詹特森形容這些微生物好比生態系中的「黏膠」，把各種雜七雜八的生物都黏在一起：「說到物種與物種所交織成的生物網（web of life），人們總是想到一個二維的結構圖。其實，生物網是多維的結構，微生物就穿插在這些脈絡中。」 夏培拉（Ignacio Chapella）是另一位前來哥斯大黎加雨林做研究的科學家，他的研究對象是某一類對雨林生態健康有重要功能的真菌。他想了解真菌和植物之間的合作關係如何促進雨林繁盛的生長。夏培拉的工作與詹特森和哈娃的工作有部分的交集，因為夏培拉所研究的東西，將有助於這對夫妻解釋雨林中各種生物之間的交互關係，並為雨林的生物多樣性做記錄。 菌根在雨林中的角色 在地球所有的生態系中，真菌對維持礦物質及營養素的循環，也占有舉足輕重的地位，尤其在熱帶地區的生物網，真菌所扮演的角色更是重要，如果沒有它們，青蔥蓊鬱的熱帶雨林將變成一片貧瘠光禿的溼地。 當你看到雨林中植物長得如此茂盛，也許會猜想那裡的土壤一定很肥沃，但可別被這種假象騙了，其實雨林中的土壤已經沒有什麼養分了。怎麼說呢？ 熱帶氣候的高溫造成生物死屍的分解速率比溫帶地區還快，分解出來的養分很快的滲入雨林地表。你也許認為這樣可以造就一個肥沃的雨林環境，但每天的降雨也很快的將游離的養分沖刷掉，導致土壤流失很多植物生長所必需的營養物質。 當農人把雨林地轉變成農業用地時，就可以明顯看出每日降雨對土壤養分流失的影響。在森林經過砍伐、焚燒，並種植農作物之後，只消短短的一季，就可以發現土壤中的營養已經流失殆盡，而且土壤本身也受到侵蝕。如果還想在這種地方耕種，唯一的補救之道是大量使用人工肥料，不過這種方式很昂貴，往往不是開發中國家的農人所能負擔的。 有機質的清道夫——菌根 既然利用雨林的土壤種植農作物的結果這麼不足取，那麼究竟是什麼原因讓雨林中的天然植物可以如此繁盛的生長？其中一個祕密在於這些植物與一群叫做菌根（mycorrhizae）的真菌之間的合作關係。熱帶植物和菌根有密切的物質循環關係，使植物不受熱帶多雨氣候的影響，仍然能取得生長所需的營養。這種合作關係密切到這些真菌儼然成為植物根部構造的一部分，也因此我們乾脆稱它們為「菌根」。某些狀況下，真菌厚厚的纏裹在根部外，取代了植物根毛的功能，向四周吸收大量的養分，供植物利用。另一種情況是，真菌會入侵根部的活細胞，形成緊密纏繞的結構，看起來就像在根細胞內部織成的活錦緞。 雨林植物與菌根的互利共生關係很明顯。菌根可說是有機質的清道夫，只要有死亡的生物體掉到雨林地表，各種不同的真菌和細菌就會參與分解屍體的工作，把有機質分解成較小的分子，以供回收利用。菌根既能分解有機質，也可以從中迅速擷取一些重要的元素，例如磷、氮，儲存在它們的細胞中。如此可以避免大雨一來，又將土壤中的這些營養素沖刷殆盡。 接著，菌根可以把它們保存的營養素直接轉移給植物的根部。植物回饋菌根的方式則是提供它們一個安全的避難所，以免遭到其他真菌或細菌的掠食，同時植物也提供菌根葡萄糖、維生素等營養，好讓菌根生長。我們可以合理的猜想，這種植物與菌根的共生關係，早在當初植物登上陸地時就開始演化了，畢竟這種關係可以確保植物取得生長所需的營養。今日，98%的陸生植物多少都有具有這種與菌根的共生關係。 摘自《觀念生物學3》內文