有趣到睡不著的生物學：螞蟻和人工智慧有關？

★日本中小學生經典科普課外讀物，系列作品銷量突破七十萬本！★
◎皮卡丘的「進化」其實是「變態」！？
◎大腦運作模式和螞蟻的行為很像？
◎為了繁衍後代，雌雄之間費盡心機！

))))千萬別把它當作睡前讀物，因為你一翻開就停不下來！((((
【誰適合閱讀本書】
◆曾經認為生物就是要背誦一堆知識，讀起來很痛苦的人
◆現正學習生物，需要輔助理解課本原理的人
◆除了學生之外，其他所有具備好奇心的人！

【32個有趣主題，認識生物學原來如此！】
生物學背後的道理，說穿了就是物理、化學、演化的基本原則，本書帶領讀者認識生命世界中的各種現象，不用死記硬背，自然而然就能體會，一切都超有道理的！
作者特別希望這本書能夠幫到那些正在學生物，卻覺得很難、學到想哭的學生們；他以前就是因為了解到背後的原理，才充分享受到學生物的快樂。這項樂趣要分享給大家～～對生物好奇有興趣的人閱讀後也能加深理解，生命的一切必有原因，生物學超有趣啊！

【精彩主題搶先看】
●DNA是生物的生命設計圖：DNA由兩條長鏈連結而成，扭成像螺旋梯一樣的形狀，兩條長鏈上有互補的基因密碼。讀取基因時，只需要其中一條長鏈上的遺傳訊息。另一條長鏈平時可以做為保護蓋，而且假如有一條鏈的基因受損了，就可以用另一條的互補資訊來恢復基因密碼。而分子結構為什麼像螺旋梯呢？因為長鏈結構連接時會有一個角度，整條長鏈累積下來，直直的梯子就會扭成螺旋狀。

●雄性和雌性繁衍戰略大不同：生物中雄性的戰略為「亂槍打鳥」，不大會選擇對象，因為精子可以一直補充；但雌性需投資很多資源在製造卵上，要是卵無法受精，就會浪費許多成本，所以雌性會仔細判斷雄性，合格之後才會交配繁衍。因此雄性動物發展出展示華麗羽毛或是送禮物的行為。像「蚊蠍蛉」這種昆蟲，捕不到獵物而無法送禮的雄蟲，會假裝自己是雌蟲，騙取比較會狩獵的雄蟲的獵物，再把這些獵物當成自己的，送給雌蟲，獲得交配權。令人心有戚戚焉！

●大腦運作跟螞蟻行為很像：大腦是由無數個神經細胞組成的結構。神經細胞的末端只會做出On或Off這種單純的輸出，不過集合成大腦後卻能夠在複雜情況下做出適當判斷。昆蟲中的蟻群或蜂群也是如此，兩者的末端都只能做出簡單判斷，但整體的決策能力遠勝個別單位。我們將多部電腦以同樣的架構機制彼此連接，便能製作出決策能力遠勝個體的網路了。這就是人工智慧。

【封面設計說明】
有趣內容我們從封面設計開始，本系列書籍我們將問題設計於封面插畫上，詳細的解答就等你一起翻開本書。
Q：對於螞蟻和蜂來說，若在養育小孩和養育妹妹中擇一，哪個選擇能保留較多與自己相同的基因呢？

【清晰明瞭的圖表解說】
●說明圖幫助讀者認識生物分子的構造，表格系統化的呈現資訊，容易理解知識。
●可愛的小超人插圖，適時在篇章末尾出現陪伴讀者，發出感嘆對白和有趣的註解，讓讀者一起共鳴：「DNA螺旋好厲害啊！」「生物教科書的內容很難背耶……」
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【有趣到睡不著─系列介紹】
★日本中小學生經典科普課外讀物，系列作品銷量突破七十萬本！★
★108課綱培養「科學素養」「閱讀力」最佳讀物★

◎熱情推廣科學的專家作者群
本系列能長期受到讀者肯定，主因是這群致力推廣科學的作者們，各科學領域的專家多年來從事科普傳播工作，並出版過多部科普暢銷作品。
◎符合108課綱科學素養，中小學生的最佳讀物
─科學素養讀本：科學素養是人們看待自然現象時保持好奇心，從中思考問題、進而設法解決問題的一種涵養。閱讀有趣的課外科學書籍，並呼應學校上課內容，培養孩子的科學素養。
─增加閱讀力：書中每個小主題的篇幅適中，讀來毫不費力，平易近人的內容，使人不知不覺一直看下去，也促進中小學生的長篇文章閱讀力。
◎系列主題─
《有趣到睡不著的自然科學》／《有趣到睡不著的化學》
《有趣到睡不著的生物學》／《有趣到睡不著的植物學》
《有趣到睡不著的天文學》／《有趣到睡不著的地球科學》
《一定要知道的傳染病》

長谷川英祐（EISUKE HASEGAWA）
演化生物學者。北海道大學農學研究所副教授，隸屬動物生態學研究室。1961年出生於東京。小時候便夢想成為昆蟲學者。大學時開始進行社會性昆蟲的研究。畢業後在民間企業工作五年，之後在東京都立大學研究所學習生態學。

主要研究領域包括社會性演化、動物族群的行為等。其中又以「不工作的工蟻」的研究最受矚目。興趣包括電影、汽車、釣魚、讀書、漫畫等。著作包括暢銷書《不工作的工蟻也有存在的意義》、《如何在逐漸萎縮的世界中活下去？》（皆由Media Factory新書出版）。


陳朕疆
現為自由譯者。清華大學生命科學學士、政大財務管理碩士，曾於京都大學農學部交換一年。曾在中研院生醫所擔任研究助理。

好有趣推薦
■所長／怪奇事務所
■阿簡老師／阿簡生物筆記站長
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■葉綠舒／慈濟大學通識教育中心助理教授
■潘彥宏／北一女中生物老師
■盧俊良／阿魯米玩科學粉絲頁版主
(依首字筆畫排列)

前言
生命的一切都有原因
許多人可能有在中學時學過生物，生物教科書會從細胞開始談起，陸續講到生殖與發育、遺傳、刺激與動物反應、體內環境與恆定性、環境與植物反應等主題。書中常可看到「細胞內有許多小小的胞器，每個胞器都有各自特定的功能」之類的細節說明。

乍看之下，每個主題之間似乎沒什麼關聯。考試中會出現「粒線體是細胞內的胞器，請問以下哪個選項是粒線體的功能？」或者是「檸檬酸循環中，會生成多少個氫原子？生成多少個ATP分子？」之類的細節問題。對大多數人來說，若想在考試中得高分，就必須把教科書中的所有內容鉅細靡遺的背下來才行。
◇
和其他自然科（物理、化學、地球科學）相比，生物教科書特別厚，常讓許多人覺得「要記的東西太多」而不喜歡生物。某些原本喜歡生物的人，看到如此繁重的課程內容後，反而開始感到痛苦，進而討厭起了生物。實在是可惜可惜可惜可惜可惜可惜了！（編註：日本動漫JOJO式吶喊）

確實，生物的行為與現象既多樣又複雜。生命活動是根據物理、化學的基本規則而進行的，能夠獨立生存的生物，會與周圍環境產生各種交互作用，形成高度複雜的生態現象，這些都屬於生物學的範疇。為了將各種現象都納入討論，使教科書變得相當厚重。

地球上的第一個生命約在三十八億年前誕生，經過漫長的演化後，才形成了現在多彩多姿的生物圈。所謂的演化，是依循某種規則進行的過程，因此，現在地球上令人眼花撩亂的生物多樣性，其實可以透過物理、化學所遵循的單純原則以及演化的規則來理解。

了解生物演化的原則，並用物理、化學的原理和生命的現象互相連結，如此一來，生物圈多彩多姿的現象就會變得好懂許多。人們通常不擅長死背，而歷史是常與生物並列的背誦科目，讀歷史的時候，我們常需要記下某事件發生在哪個年份，這時候如果用數字的諧音來記憶年份的話，就會變得好記許多。譬如我們可以用「鎌倉幕府要創造好國家（一一九二）」這個口訣，來記住鎌倉幕府的建立時間是一一九二年。（譯註：日語的「好國家」音同「一一九二」）

許多日本學生會用「水兵リーベ僕の船……」這段有情境的句子，來背誦化學元素週期表，這段話的發音與日語的「氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖」相近，可以幫助記憶，因為人們記住有意義的句子相對容易許多。也就是說，只要明白生物學有什麼意義，要記住這些內容就簡單許多了。

目前日本的生物Ⅰ、Ⅱ教科書中，大多是在介紹生物「如何表現生命現象（How）」，卻沒有說明、整理各個章節之間的關聯，僅將各個項目逐一列出。這樣的話，學生就不曉得該如何理解這些生物知識，只能把書中內容一字不漏的背誦下來。
◇
How的問題是支撐科學的兩大支柱之一。近代生物學起源於顯微鏡的發明者──羅伯特．虎克觀察到植物細胞。在這之後，大部分的生物學都在研究生物如何表現出生命現象（How）。因此，生物教科書也以「生物發生了什麼現象」為主軸。

但生物學中還有另一個疑問，那就是「為什麼生物會如此呢（Why）」。也就是說，除了研究各種生命現象如何（How）發生之外，還可以從另一個角度，研究這些現象為什麼（Why）會發生。查爾斯．達爾文的「演化論」，就是嘗試從Why的觀點來理解生物。

自古以來，人們就知道生物所擁有的性質，可以讓它們適應所生存的環境。但在達爾文提出「天擇說」之前，沒有人想過為什麼會這樣。達爾文認為，同種生物的個體之間存在微小的差異，能夠適應環境的個體才能生存下來，並留下許多後代。隨著時間經過，這種生物的個體會陸續汰換成能適應當時生存環境的個體。

能適應環境的生物會自然而然的被篩選出來，於是達爾文這種機制被命名為「天擇」或「自然選擇」。簡單來說，就是「比較能適應環境的優勢個體能夠生存並留下後代子孫，所以未來逐漸只有具備這類特性的生物存在」。這種機制說明了生物為什麼（Why）演化成能夠適應環境的特性，而這也是歷史上第一個不以神的存在來解釋的說法。
◇
後來的許多研究中，也證實了現實中的生物會在天擇之下逐漸演化，適應環境。這表示，看似複雜多樣的生物與各種生命現象，都是在「天擇」這個原理下演化出來的。因此，從Why的觀點看來，各個生物主題彼此間的關係，以及「為什麼某個生物有某種生命現象」等問題，都有其特定理由。

了解到這些理由之後，便可將各種生命現象，以及生命現象產生的結果，整理成容易記憶的形式。

另外，現在的人類屬於多細胞生物，擁有各種複雜器官以及調控這些器官的機制，但最早的生命並非如此，最早的生命體結構應比現今的細胞還要單純。生命體的結構在演化過程中會逐漸變得複雜、多樣化，使生物內部的系統愈來愈精密，形成現在多彩多姿的生物族群。

生物會利用原有的系統，發展出新的性質，因此後來可能會有更合理的發展方法，但實際上不是，因為演化的發展是隨機的。因此，如果想要理解目前的生物，最好要了解過去生物的演化史。

由以上觀點來整理生物學，讀生物時就不是單純的「背誦」，而是能夠「理解」背後的邏輯。用口訣背誦知識時，有意義的口訣比較容易記住。同樣的，當我們了解到為什麼（Why）會有這些生命現象後，便能比從前更加明白多樣的生物學知識。

簡而言之，現在的生物教科書大多是將一個個生命現象表列出來而已，不大會細談「演化」這個貫串生物界的概念。用這種教科書來學習，自然就沒辦法「理解」到生命現象的理論基礎。

所謂的做學問，是由觀察到的現象建立出一個有系統的理論，進而理解。由此看來，目前的生物教科書雖然提到了許多與生物有關的資訊，卻不能稱做生物「學」。實在令人惋惜。
◇
本書以物理、化學、演化的基本原則為基礎，帶領讀者「理解」生物界中的各種現象。設定的讀者包括了曾認為生物很難、要背誦一堆知識的人，以及現在正在學習生物，覺得內容過於繁雜而苦惱的人。

生物學並非只是一堆必須死記的內容。

它是以物理、化學、演化等原則為基礎，形成的統一現象。因此，理解這些原則，知道為什麼，就能將這些生物學知識深深印在腦海中。

這本書有許多功能，就我而言，特別希望能夠幫到那些正在學習生物學，卻學到想哭的學生們。我以前就是因為體會到如本書所寫的生命現象的原理，才享受到學習生物的快樂。

除了這些學生之外，只要是對生物有興趣的人們，看過本書後一定也能加深對生物學的理解。

 

前言

Part 1 生物皆有規則：讀懂生物課
生命的誕生為僅此一次的奇蹟
保留下來的是能夠傳承的東西
生物遵循一定的規則
為什麼DNA扭成螺旋狀？
DNA的故事(1)――遺傳資訊的雙重保護
DNA的故事(2)――像階梯一般
DNA的故事(3)――為什麼會形成A―T、G―C的組合
為什麼遺傳物質是DNA？
厲害的酵素――蛋白質的作用
細胞的誕生――自然形成的細胞膜
細胞的結合――葉綠體與粒線體
基因體之戰
製造能量(1)――為什麼酵素需在水中進行反應？
製造能量(2)――為什麼電子傳遞鏈需固定在膜上？

Part 2 想說給別人聽的生物故事
植物為什麼是綠的？
細胞會互相合作
為什麼蜜蜂會互相合作？
器官的分工有道理
你想當哪個器官呢？
超個體的誕生――有效率的集團
沒有智慧的細胞為何能形成組織

Part 3 有趣到睡不著的生物學
頭腦簡單的螞蟻能做出最好的選擇？
腦的運作和螞蟻很像
人和蜜蜂都會感到憂鬱
遺傳――機率與偶然的生物學
什麼是分離比
「性」在生物學中的奧祕
為什麼生物分成雄性與雌性呢？
世代交替的學問
盡力獲取最大利益的雌雄之戰
雌雄不同種的生物
要戰鬥？還是要逃跑？

結語

你想成為身體的哪個部分？

假設有人召集了一群人，並對他們說「接下來要請各位融合成一個男人，各位分別想成為身體的哪個部分呢？」實際上我曾問過別人這個問題，常見的回答是「腦」、「眼睛」、「手」等。
你的答案又是什麼呢？
我並不想成為那些器官。我想成為的身體部位就只有一個，那就是「睪丸」。抱歉這聽起來好像不太得體，但我一定會選「睪丸」，為什麼呢？
試想人類繁衍下一代時，細胞發生了什麼事。卵子與精子會融合成受精卵，接著再發育成新的個體，所以只有生殖細胞能把自己的基因傳給下一代。這些細胞分別是男性睪丸的精母細胞，以及女性卵巢的卵母細胞。
不論腦細胞能夠想出多驚人的點子，不論眼睛能夠看到多美妙的景色，不論手能創作出多棒的作品，這些器官的細胞都沒辦法留下後代，可能性完全是零。

人和蜜蜂都會感到憂鬱

應該沒有人會懷疑「人類擁有多種情感」這點，不過卻不大明白為何人有這些情感。恐懼的心情或許是為了讓自己遠離或避開危險的事物，有著演化上的意義。不過喜悅、悲傷、滿足感等心情存在的理由就沒那麼容易說明清楚了。觀察狗、猴子等動物時會發現，不只人類，動物也具有各種情感。為什麼呢？
（節錄）……關於意識與情感，也就是心理的運作，目前人類還有許多不明白的地方。其中最奇妙的就是「憂鬱」的存在。人類在憂鬱時，情感表現上會變得比較遲鈍，不會感到喜悅、快樂，也會失去動力，對於任何事都感到悲觀，相當痛苦。
生理學上認為，人在憂鬱狀態時，腦會減少神經傳導物的分泌，使用某些化學物質改善這點，就可以緩和憂鬱狀況（使用抗憂鬱藥物）。一般認為，當人們持續承受著強大壓力時，會導致憂鬱症發作，但目前我們還不曉得憂鬱症在演化上有什麼意義。
不過，如果和人類構造差別很大的動物也有憂鬱情況的話，就表示這可能是有腦動物的共通現象。在長時間的演化過程中，如果生物身上一直都保有憂鬱的感受，就表示憂鬱可能有某種「演化上的意義」。如果憂鬱只會帶來不利的話，在漫長的生命歷史中應該早就被淘汰了才對。

生物由「小小的房間」建構而成

一般認為，最初的生命誕生在水中，這種生命具有自己的遺傳物質，並可以進行代謝、自我複製。不過，在近乎無限寬廣的水中，那些能產生化學反應的物質即使暫時集中在一起，要是單單放著的話很快也會分解或擴散開來，無法維持生命活動。
如果要維持生命活動，就必須將遺傳物質關在一個很小的空間範圍內進行代謝反應。
現在所有的生物（除了病毒之外）都是由許多小小的「房間」（細胞）所構成，而每個房間外圍被細胞膜所包圍。細胞膜是區隔生物體內與外界的界線，所以最初的生命應該就已經具備這種構造才對。究竟這是什麼樣的結構呢？這種結構又要如何自然形成呢？
（節錄）……實際上，細胞膜的結構能夠自然而然形成。如果把大量磷脂質放入水中並攪拌，磷脂質會分散成一個個分子，而因為磷脂分子的尾巴部分有疏水性，所以容易親近其他磷脂分子的尾巴，隨時間經過，磷脂分子會逐漸聚集起來，尾巴彼此相向排列成雙層，這就是細胞膜的基本結構。