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系統分類學──窺探千奇百怪的生物世界

我們來作一個小測試,首先準備一張紙和一枝筆,現在憑你的記憶在紙上寫上所有你認識的生物名稱。好,現在看看你總共寫到了多少個?如果你寫出了一百個,很好,那算是不錯的成績了;如果你寫出了二百個,那你可必定對生物很有了解了!

那麼,你可有想過,在這地球上總共有多少種不同的生物品種(物種,species)呢?一萬個?十萬個?太難想像了?事實上,現在地球上有一百七十萬個已知的物種,其中包括我們所熟識的動、植物,以及不少我們鮮有聽聞的生物。假如我們要編製一套百科全書,把所有物種的名字都收錄進去,這將會是一套七大本的珍藏。可是不要忘記,這一百七十萬,只是我們所知的數目,世界各地的科學家每天都發現新的未知的物種,所以現有的物種數目實際上必定遠遠超過一百七十萬。現在讓我們嘗試站高一點看看整個地球的歷史,地球至今已經四十六億歲了,而最早的生命,出現在三十五億年前。三十五億年來,有新的物種誕生.也有舊的物種因為種種原因不能適應環境而被淘汰,滅絕了。如是者,這三十五億年來,總共有多少個物種曾經在地球上出現過呢?有科學家估計,這個數字可能達到四萬億(4,000,000,000,000),生物種類的多樣化實在令人驚嘆!

系統分類學簡史

生物種類如此之多,我們要研究牠們的特徵以及其之間的異同、牠們之間的關係、牠們與周圍環境的關係等等,就必須建立一套良好的分類系統,把各種生物整齊地分門別類。而踏出第一步的,是公元前三百五十年的希臘著名學者亞里士多德(Aristotle)。他在其著作中詳細描述了五百六十種不同動物的特徵、解剖結構和生理機能,並以外表特徵來把不同的動物分類。他提出以腳的數目來分類,於是把人類和鳥類納入同一類別;他又指出胎生和卵生的動物是屬於不同的類別,所以海豚應該與人類而非魚類是屬於同種的。雖然亞里士多德並未有建構出一個完整的物種分類樹,但他是第一個人以清楚明確的準則來界定分辨不同的物種,對後來的分類學啟發甚大,加上他在解剖學、胚胎學及生理學上的貢獻,故被後人稱為動物學之父。

亞里士多德一生花了很長的時間研究不同的動物,而他的學生泰奧弗拉斯托斯(Theophrastus)則專注在植物學上。泰奧弗拉斯托斯在公元前三二二年從亞里士多德手上接手了「遊方學校」,即致力在學校中教授植物學,並出版了兩本植物學的著作。他的著作描述了五百種不同的植物,詳盡記錄了它們的外貌特徵、結構、藥用價值、等等,亦討論了如植物的有性繁殖等問題。他更提出以一連串描述式的形容詞來命名植物,所以只憑一個名字,除知道所指的植物外,更可以得知該植物的特徵。泰奧弗拉斯托斯在植物學上的研究影響了他以後足足一千五百年的學者,被譽為植物學之父。

西方的科學在往後的一千五百年幾乎停滯不前,在這段期間,學者大多數的工作只是沿著古希臘的一套方法,把手上的資料作修正和擴充而已。直到十六世紀初,瑞士博物學家格斯納(Conrad Gesner)出版了數本關於動物學的著作,談論了他在不同地方所挖掘到的化石,以及描述了當時他所知的所有動物。一九六九年,丹麥地質學家史坦諾(Nicolaus Steno)在其著作《先驅》中,解釋了化石的來源和形成。這些理論對後來的古生物學影響深遠,亦使分類學家的研究對象和方法大大增加了。到一六七三年,荷蘭生物學家列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek)利用自製的顯微鏡發現了細菌及原生動物(protozoa),人類對生物的認識,又跨前了一大步。

一七三五年,瑞典植物學家林奈(Carolus Linnaeus)為現代分類學建立了一個重要的里程碑。這一年,他出版了著作《自然生物分類》,提出了一套把生物整齊分類的系統。他提議把生物分類到一個個小的類別,稱為「種」,再把一個個「種」分類到更高的類別,稱為「屬」,「屬」又再納入更高的類別中,如此類推,由大至小就有了界(kingdom)、綱(class)、目(order)、屬(genus)、種(species)五個分級。林奈又提出二名法,以一種生物的「屬」和「種」作為其學名,例如番茄的二名法學名就是「Solanum lycopersicum」,其中Solanum是屬名,lycopersicum是種名。在二名法提出以前,生物學家一直沿用亞里士多德學派的描述式命名法。但隨著已知物種數目的增加,要識別不同的生物,所需要的描述詞語就不斷地增加,例如番茄的描述式學名是「Solanum caule inerme herbaceo, foliis pinnatis incisis, racemis simplicibus」,雖然生物學家可以從名字中得到不少資料,但使用起來十分不便。林奈放棄了舊方法的優點,來換取命名上的統一和使用上的簡易,結果是非常正面的。

林奈的分類系統提出後,經過了不同生物學家的修正,由原本的五個分級升至八個分級,即域(domain)、界、門(phylum)、綱、目、科(family)、屬、種。但由於已知物種數目的迅速增加,八個分級漸漸又變得不夠用,於是分類學家又插入「亞目」、「總科」等中介分級。雖然分類學家很多時未能在物種細緻的分類上達到共識,但普遍來說,林奈的分類系統對分類學家來說仍然是很有效的一套工具。

十九世紀後期,達爾文提出了進化論,說明所有生物其實都由一個共同祖先演化出來;二十世紀初,生物學家又發現了控制生物繁衍的遺傳基因,使一向以生物的形態和結構特徵對其進行分類的分類學家得到了新的啟示。既然生物都來自同一個祖先,而新物種的產生是由於一個物種的基因突變而分裂出來,那麼我們自然可以建構出一個生物的「種系發生史(phylogeny)」,並以演化樹的形式將之予以表達。此後,隨著遺傳學、分子生物學、古生物學等範疇的發展,分類學家漸漸得到越來越多的證據,證明不少形態和結構特徵相似的生物,原來是由不同的演化過程演化出來,在演化歷史上是毫不相干的;而外表上毫不相似的生物,卻原來又有著共同的祖先。所以,要建構一套有意義的生物分類,就必須以演化歷史為依歸,而以這個方法去把生物分類的學問,就是今天的系統分類學(systematics)了。

從兩界到三域

地球現存已知的物種有一百七十萬,而自第一個單細胞生物誕生以來,曾經出現過的物種數目更加驚人。系統分類學家根據生物的進化歷史,以域、界、門、綱、目、科、屬、種八個分級,把牠們分類到不同的類別。左面的圖表就列出了人類的完整分類。在生物中,只有是屬於同一「種」的生物,其交配所生之後代才擁有繁殖能力;同一「屬」中不同「種」的生物,是由共同的祖先演化而成,所以關係非常密切,通常在形態和結構上都十分相似;而同一「科」中不同「屬」的生物,則是由較遠的共同祖先演化而成,如此類推。

林奈最初提出他的分類系統時,只有界、綱、目、屬、種五個分級;在最高的層次上,他把所有生物分為動物和植物兩個界。對於當時的生物學家來說,這個分類似乎明顯不過:動物能夠依靠自身的能力移動,而植物則不可以。林奈並沒有太理會到列文虎克所發現的細菌和原生動物,只強把牠們分類到這兩個界中;而真菌亦被草草歸入植物界。

後來越來越多的證據顯示細菌和原生動物與真正的動物和植物有很多不同之處,而對真菌細胞結構的認識亦漸漸使生物學家對舊有的系統感到質疑。到一九六九年,韋特克(Robert H. Whittaker)提出了五界論,把生物分為動物界(Animalia)、植物界(Plantae)、真菌界(Fungi)、原生生物界(Protoctista)和原核生物界(Monera)。五界的分類不再堅持人類把生物分為動、植物兩類的主觀直覺,而以事實和證據為依歸,是分類學上另一個里程碑。

隨著科學技術的發展,生物學家再次意識到五界論亦有其不足之處。七十年代,微生物學家伍斯(Carl Woese)發現五界中的原核生物界其實包括了兩種在基因序列上很不同的生物,即古菌(Archaebacteria)和真細菌(Eubacteria)。隨後,他更發現古菌、真細菌和其餘的生物之間有非常大的分別,而提出了三域──即古菌域(Archaea)、真細菌域(Bacteria)和真核生物域(Eukarya),其中真核生物域包括了動物界、植物界、真菌界和原生生物界。但新的證據又不斷顯示出我們所認識的動物界、植物界、真菌界和原生生物界原來是由很多不同的生物所組成,所以,經過不斷的仔細分類,真核生物域中界的數目上升到二十多個。


參考資料:

The Variety of Life, A survey and a celebration of all the creatures that have ever lived, Colin Tudge, Oxford University Press (2000)
The Science Book, Peter Tallack, Cassell and Co. (2001)
新世紀生物學習百科 大衛.伯尼著 貓頭鷹出版社


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