成大生科陳一菁教授、陳怡秀博士
挑戰《生物滅絕電梯》經典假說，登上《Science期刊》

生物滅絕電梯假說（Extinction Escalator）

假說提出
對溫度敏感的山區物種，會為了維持適合的生存溫度範圍，而向更高海拔遷移
最頂端的物種因「無法再向上」而最先陷入滅絕（Mass Extinction）風險
最底端（溫度最高區）則開始缺少物種，出現生物多樣性下降
整個過程，就像一部逐漸向上的電梯

最開始看到報導標題時〈生物搭上滅絕電梯？成大挑戰經典假說〉
以為原假說錯誤，是由於生物面臨絕境時會盡力掙扎，迭代產生演化
發展出抵禦高溫耐熱的品種，所以不會快速滅絕

實際上研究指出，物種確實會往更高海拔移動
但是「下界維持不變、上界往上擴張」，最頂端的物種則仍維持在最頂部

在看到「下界不變、上界卻往上擴張」的結論時，讓我大吃一驚

於是修正了一下目前心中的模型：
物種面臨高度壓力、乃至滅絕之前，會竭盡可能分化族群
同時發展多樣性，有的留在原地、有的探索周遭（也許遇到天敵）
像是丟骰子隨機分佈

但是總感覺有哪裡怪怪的
為了找支持的數據，演化速度，我想起有人提過這樣的實驗

MEGA-plate細菌實驗

研究了《MEGA-plate（Microbial Evolution and Growth Arena）》的細菌實驗後
發現我搞錯了，過度神化「演化論」
動物迭代速度遠遠沒那麼快

《MEGA-plate》是哈佛大學於2016年設計的經典微生物實驗
是一場「過量抗生素 vs 超級細菌」的戰爭
使用大腸桿菌（E. coli）作為實驗細菌
裝置的最外層（最左、最右）是無抗生素區域，細菌可存活
接著越往內層移動，抗生素濃度開始遽增 1x -> 10x -> 100x -> 1000x

理應來說細菌不可能在含有 1000x 濃度抗生素的地方生存
但實驗僅僅過了11天，就演化出足以克服1000x抗生素的物種

實驗證明了微生物可以在強大的選擇壓力下
哪怕是1000倍濃度的抗生素環境
也能透過突變與自然選擇，逐步演化出能夠適應極端環境的新變異體

當種族面臨巨大的生存壓力，只要給予充足的時間
物種就能像尼采所說「凡殺不死我的必使我更強大」
發展出能夠克服一切苦難、適應環境的新物種生命

當然這會是十分痛苦的，因為過程會淘汰、篩選掉太多的生命導致死亡

在此處，「強大」不一定是真的指「強壯」或者「延伸既有優勢」
而可能只是能夠「適應」環境變化而存活

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實驗影片除了開眼界、感到震撼以外，這讓我也意識到「演化的限制」

MEGA-plate 整體細菌的體量
與日常所見的動物數量級差太多，不能直接拿來相比
細菌在20分鐘內完成一次繁殖（vs 動物要多久？）
無抗生素區域的細菌、且臨近抗生素區域，估算有10億隻細菌（vs 動物有幾隻？）
細菌花費11天完全克服天敵，最終無視抗生素（vs 動物需花幾個世代、上千萬年？）

照這樣估算下來
簡單來說，細菌種族的演化
比起任何動物，都還要快上1000億倍以上

所以我打掉前面推論、將模型重新修正

演化模型（最終版）

動物會運用個體差異，以及甲基化等方式調控基因表達
維持下界活動範圍、拓展上界活動範圍
運用各種方式，以「最小阻力 x 可生存」的方向前進

只有當這些手段也撐不住時，最後才會執行迭代演化、賭上基因變異
但是風險很大

所以我將模型分成三個層次、三種不同的面向與階段

１．分群探索（Niche Diversification）：
– 隨機擴散、地理隔離
– 個體搬遷容易發生，但不易存活
ex:
天氣太熱，我說我要搬家搬到北極。鄰居說好吧你就搬啊，但我不會隨你去，因為家人都在這。
最終我只好一個人前往，然後不幸死在半路上、或者被北極熊咬死。
或者最終我成功存活了，由於北極地冷、不再需要耐熱基因、需發展耐寒，於是在北極誕生一支基因分叉（ecotype）。

– 發生在神經網路的反應、與社會群體之間的作用
ex：會決定要搬家，是因為我的腦已經受不了，跟我抗議趕快離開這裡啊（神經層面的反應）。
如果能說服鄰居一起搬家（社交、群遷），成功率會大一點，但是仍然有可能全滅。
對於種族群體也是一次擲骰子（成本、風險、報酬）。

=> 成本低（最容易發生）、但成功率偏低

２．個體可塑（Plasticity）：
– 需忍受環境、等待基因調控來調整
ex：鄰居用意志力克服了搬家衝動。為了因應天氣熱，選擇默默鍛鍊、調整身體狀態。
每天喝更多水、曬得黝黑，逐漸習慣、適應了熱環境，打開了每個耐熱基因開關。

– 基因表達調控、修改配置設定，暫時撐住環境變異
ex：若未來環境繼續惡化、當溫度繼續飆高到50度，身體仍然承受不住而死，基因配套已達到臨界上限，無法承受而滅亡。

=> 成本中（要承受到一定閾值才會有基因調控）、成功率大

３．賭徒演化（Mutation）：
– 賭上基因變異，演化出新特性
– 面臨極端生存、人口壓力、死亡風險
ex：一大片族人熱死、脫水而亡了。甚至地球人口已經從70億->700人
（氧化壓力造成精卵的DNA修復失敗，促成變異嬰兒）
此時在種族中恰好有個小朋友的基因與眾不同，很擅長應對這種熱環境，存活下來。
最終發展出新的分支，每個人都搭載「超人耐熱基因」，種族因而延續。

=> 成本高（面臨極端壓力）、風險最大

而且這模型的關係
就像目前主流化學，將「力量、作用力」分成好幾種不同級距：
分子間作用力 vs 化學鍵 vs 核力

有點像是按照順序對應的關係

結語

細菌通常缺乏可調控機制，所以只能直接展開迭代演化

雖然與細菌的演化，速度差了1000億倍以上
不過，以成人體細胞大約37兆個來看
這樣的演化速度數量級似乎合情合理

（因為複雜動物體內建ECC具糾錯率、容錯率高，降低變異率
細菌變異機率如果是100，人類可能是1~0.1）

不過
人類技術發展已經快要來到奇異點
有望突破數量限制，跳過傳統演化（暴力破解法、地毯式搜索）
精準加速這一切
自我設計生物（self-designed organism）