選生-主題二 1-3生命形式的演變

上週學生分組討論課本中不同科學家所做的實驗。

看看科學家如何探討不可能重現的事件，如何以邏輯分解複雜的問題，分階段以實驗找出best guess.

今天要承接到生命形式的演化。

所以一開始還是帶著同學回顧。

因為是無可重現的，所以科學家追尋的並不是一個正確的答案。

而是一個最好的猜測。

什麼是一個最好的猜測?

就是有很多資料支持他是有可能的，而且"目前"還沒有被推翻。

當科學家提出一個猜測的時候，他們可能是一個狂野的猜測Wild guess，可能是受某些已知觸發所聯想到的而已。

接下來科學家就會去收集一些資料，看看這些猜測有沒有可能成立。

有可能成立的機會越高我們就說他是越好的一個猜測。

所以我們上週請大家看課本上的各個科學家做的實驗與探究，請大家回去整理他們各自要探究什麼。

在生命如何起源的這個主題上，要提升猜測的好的程度要怎麼做呢？

我們至少要確認，生命出現的幾個基本階段是有可能，那我們的猜測才有可能是成立的。

所以科學家先去分析了有哪些階段必須成立，再去看看能不能收集這些階段成立的間接證據。

也就是說科學家做的這些實驗，只是說明了這些階段有可能出現，而不是"就是這樣出現"的

比如說，就表格上各科學家的實驗來看，分別利用不同方式模擬原始地球有大量能量，可以支持的是"在原始的環境下，有機物是有可能從無機物出現的、而有機物的小分子有可能在原始地球的環境下形成大分子、脂質可能在水溶液中形成膜的。"

這些資料並不是說明生命就是這樣形成的，而是說科學家猜測生命是有可能在原始地球上無中生有的這個猜測並不是一個狂野的猜測，而是一個可能成立的猜測。

也就是說這個猜測的品質提升了。

從wild guess-->Reasoned guess--> supported guess。

但這其中最難找到資料支持的是代謝過程的演化。

因為，細胞中的代謝是過程，而過程是沒有辦法直接看分子而得到支持或者是反駁的。即使你很明確的看到某個東西減少，而另一個東西增加也不見得能確認某個代謝作用正在進行。

因為，細胞中的代謝作用是一整組化學反應，而非單一化學反應。

這也是為什麼"生命的複製"部分是否有可能在古早的地球出現這件事情，也只能用非常非常間接的方式來說明"有可能"會成立。

科學家發現了同一個分子他能夠同時進行催化與自我複製的功能，為什麼就能間接支持複製是有可能在原始地球上出現的呢？

因為要兩個獨立事件，一個是演化出有催化能力的分子，另一個是演化出有復健能力的分子，兩個都獨立事件要同時成立的機率遠低於一個分子同時具有催化與複製的機率。

也就是說發現一個有雙重功能的分子，使得能自我複製是可以有原始地球演化出來的這個猜測，從極低的機率提高了很多，也就是wild guess升級到了是合理的猜測 Reasoned guess 

不過然後呢？

細胞有可能會出現，沒問題。

但是現在的細胞是怎麼出現的呢

所以又有科學家提出了一個狂野的猜測。

其實這個科學家提出的是有理由的猜測，但當初因為她是女的而且很年輕，被當時的主流科學界認為是狂野的猜測。

根據的是什麼呢

根據的是當時已知粒線體有自己的環狀DNA、會自行複製，粒線體本身也會自己分裂，而分裂的方式跟細菌是一樣的二分法。除此之外，粒線體也有自己的核糖體、可以合成自己要的蛋白質。

所以這個科學家他提出的假說(也就是猜測)，是原始的細胞吞了某一個細菌，而這個細菌是可以行有氧呼吸、分解有機物合成高能分子。

這個細胞本來應該是分解細菌、得到能量。但可能在某個時間點，在還沒分解的情況之下得到了這一個細菌行有氧呼吸所釋放出的高能分子。沒有繼續把它分解掉反而是好的。競爭環境中利用有機分子效率較高，因此分裂出更多的細胞的機率是更高的。

因為這個科學家提出了許多的資料，包含粒線體內膜的成分比較接近細菌的細胞膜，還有其他的證據，因此許多科學家逐漸也接受了這個是合理的猜測，陸陸續續去找了許多可能的支持資料。

所以科學家們後來形成這一個假說，細胞膜內陷包住染色質，形成有保護的結構。

這樣的細胞可能更穩定，也就是更有機率分裂出下一個細胞，而粒線體的出現就跟我們剛才講的一樣，是吞一個細菌保留下來的。

因為科學家們根據前面的接受了這樣子的可能性，所以認為葉綠體很可能也是吞了藍綠菌之後保留下來的結果。

但在沒有資料支持之前這也只是一個合理的推測而不是一個受到支持的推測。

在其中有一個部分還沒有受到支持的情況之下，這整個流程都還只能是假說。

直到科學家收集了更多的資料，發現會行光合作用的微生物共生在細胞內是可能的，還有其他的諸多證據，所以才升級成為學說  

在這邊你會發現，生物學的假說跟學說的等級，跟其他的學術領域是有落差的，主要的原因是因為生物學所探尋的現象，絕大部份是無法精確重現的。

在生物學中，只要是非常合理的猜測，就有可能被廣為接受為假說

只要有足夠的間接證據，就有可能被接受為學說theory 。

所以然後呢

從我們看到可能有細胞可以出現，到真的有細胞出現，甚至到我們現在這麼多樣形式，像是原核與真核細胞、自營與異營的代謝模式，這些生命形式是怎麼來的呢？

我們就來體驗看看什麼叫做合理的推測。

這個時候我就會問同學你們覺得就常理來看，單細胞的生命先出現，還是多細胞呢？

同學當然就可以推論出來應該是單細胞先。

接下來我會再問，那就這個角度來看原核細胞這種生命形式先出現，還是真核細胞這種生命形式先出現呢？

學生當然會覺得因為任何生命的形式比較簡單，而真核生物的形式比較複雜，所以應該是原核生物先出現。

這個時候就會跟同學說明，這就是合理的推測。

當然要從複雜變成簡單也是很有可能的但是這個機率比較低，因此我們主要的時間可能優先要收集有簡單到複雜的資料

而如果要優先把時間投注在"由複雜簡化到簡單"，這很可能需要比較久的時間才能收集到資料。

所以這是從評估可能性的高低來看的。

接下來是一個比較難的部分。

是異營生物先出現呢，還是自營生物先出現呢。

這邊要跟同學提醒的是異營表示可以直接用環境中的有機物，而自營是可以自己製造有機物。

這個時候就會有兩派。

這個時候我會請兩派同學各具一個同學出來說理由

有的時候同學會說他隨便猜的，這剛好可以用來說明我們應該要讓自己提出來的猜測是有理由的。

可以提醒同學這樣說一定有自己的原因。可以請他說明他一開始的想法。

通常理由會是因為自營生物可以製造自己需要的有機物，而異營生物需要別人製造出來的有機物。

這個理由的前提，是你認為有機物應該是由生物製造出來的對嗎？

通常是對的，同學是這麼認為的。

這個時候我會說，很幸運地這個部分是我們整個推論過程當中唯一有具體證據的一個階段。

螢幕上這個時候才出現，目前為止可以發現最早的可行光合作用的生物是出現在35億年前。

而有光合作用的生物之後，就可以把一個階段做定年了。

但是要注意的是這個只能確認最早"可以找到"的光合生物是35億年前出現的，並不代表最早的光合作用生物是在35億年前，只可能更早。

所以接下來大家就可以來想想看你認為你知道了這個時間點以後，異營生物是在這個時間點之前還是這個時間點之後出現的呢？你的理由是什麼

可以提醒同學注意這邊有一個前提，大家可以先思考一下。

就是"是不是所有的有機物都是由生物製造出來的？"

如果是，那顯然異營應該後出現的。如果不是，那異營有可能在自營生物之前出現。

所以接下來就大致說明這張投影片，讓大家就這張投影片去做一個整理。

生命形式的演化歷程我們分成四個方面來考量。

一個是我們現在在探討的異營以及自營、另外一個是有氧及無氧呼吸。

另外就是我們剛才討論過的原核與真核、單細胞與多細胞。

那請大家先把自己推想中的先後順序把它寫下來，並寫下理由。

接下來想想看，雖然一定是其中一個形式先出現，而第二個形式出現的時候會有生存優勢。

但畢竟這些生命形式在現在的地球上都還存在著。表示兩種生命形式一定都有他的生存優勢以及他的生存劣勢。

所以接下來的時間，就要請大家先自己思考看看先後跟理由，以及你覺得這些後來出現的生命形式的優勢，而前面的生命形式為什麼還能夠留下來?

那建議學生先想自己的猜測以及理由，然後再看看課本。

這邊的指導語是

"你在看課本的時候，請注意的不是科學家提出來的猜測，而是他提出的理由跟你的理由在前提上有哪些不一樣。"

接下來的時間就可以給同學。我會在組間走，跟同學討論。

會覺得自營生物先出現的同學有好幾個可能的理由。

例如，他覺得光合作用應該是要先出現的因為光合作用需要氧氣。這個是很好的機會讓他再翻翻後面的課文，確認一下光合作用真的需要氧氣嗎。

這個部分可以讓他發現原來是自己原先的前提沒有先確認，然後後面跟著推論就可能會有問題。

那另外一個還會是認為應該是要有生產者製造出有機物，然後消費者才會有東西可以使用。

這個時候，就可以跟他討論這個前提是剛才講的所有的有幾乎都是生物製造的。

但是前面的課文我們已經證實了在當時候的地球有機物是可以從無機物自然發生的。

接下來的時間就是給同學自己去思考跟想。

但我這邊做得沒有很好的是留給學生的時間是不夠的。在下一節課我必須要進下一個進度。

在第二次做這個主題的時候，也許我的進度可以抓得再鬆一點，因為這是第一次執行同時有兩個主題在跑的高三課程，在抓第一次段考的進度的時候還是有點困難。

在這邊你可以看到這樣子的問題對同學來講，在經過充分的引導之後，同學是有投入思考的狀態。

這樣的問題有什麼樣的特徵呢？

第一，是一個看起來，高中生可以思考出答案的問題。

第二，這是一個看起來沒有唯一答案的問題。

除了這個問題本身在我們課程裡面已經一再強調是沒有重現性的之外，第二個是我們在課程裡面已經演示了在很多生物學的假說形成的過程中，的確是經歷過"提出、推翻、提出"的過程。

所以意思是我已經營造了一個沒有標準答案，或是說沒有唯一標準答案的教室氛圍。