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王弘毅、顏聖紘/為何今年大學指考生物單選第14題沒有正確答案?

圖/聯合報系資料照
圖/聯合報系資料照

生物科學與許多自然科學的差異在於,生物科學處理面對的是活生生的與高度多樣性的生命樣態,因此生物學的理論預測經常無法套用在所有生物身上。

然而,在教學與評量上,我們的出題方式卻有可能為了追求標準答案而犧牲、或忽視這個繁複世界的多樣性,甚至簡化了知識形成的辯證過程與邏輯推論。我們在今年(2017)的大學指考生物科單選題第14題中就發現這樣的狀況。身為演化生物學者的我們認為有必要向學生、教師、出題委員與社會大眾說明,為什麼我們認為第14題並沒有正確答案。

第14題的題目是這樣的:有關演化的敘述,下列何者正確?

(A)突變常對身體有害,故不利於生物演化

(B)一個正在演化的族群,其某一等位基因頻率不符合哈溫定律

(C)人類大量使用抗生素,使得抗藥性的細菌增加,為人擇作用的結果

(D)拉馬克用進廢退理論,是達爾文演化論的基礎

雖然公布的正確答案是B。但我們仍把這四個選項的問題分述如後,並說明為什麼B這個選項是有疑義的。

讓我們先看(A)選項。突變是指遺傳物質發生改變,有核苷酸點突變(point mutation),缺失(deletion),插入(insertion),錯置(translocation),倒位(inversion),重複(duplication)等。確實許多突變都對攜帶突變的個體產生不良影響,因此不利於攜帶突變者。所以如果題意是說突變不利於攜帶這個變異的生物體繁衍下一代,是說得通的。

可是另一方面,突變也是演化的原料(raw material)。如果沒有突變,細菌就永遠都只是細菌,單細胞生物無法演化成多細胞生物,簡單的生物無法演化成複雜的生物,也不會有人類。最後突變本身並不會造成演化,演化需要等位基因(allele)頻率發生改變。造成改變的原因有可能是隨機的,也可能是天擇的結果。

如果沒有突變,細菌就永遠都只是細菌。 photo creditⒸIngimage
如果沒有突變,細菌就永遠都只是細菌。 photo creditⒸIngimage

來看(B)選項。這裡提到兩個觀念:「正在演化」(evolving)以及「哈溫定律」(Hardy-Weinberg Principle)。演化最基本的單位是基因,因此生物演化意味著等位基因頻率的改變。某個基因座(locus)上的等位基因A因為突變產生了新的等位基因a,這個a可能因為天擇或是其它隨機的變化逐漸增加,這就產生了演化。

哈溫定律是這樣說的:「若一個族群的基因座(locus)滿足下列五個假設,也就是 (1) 沒有突變、(2)沒有天擇、(3)族群數量夠大,即隨機變化可以忽略不計,就是沒有遺傳漂變(genetic drift)、(4)族群內兩性隨機交配、(5)沒有任意遷入或遷出的個體,則此基因座上等位基因頻率不變。而基因型(genotype)頻率遵循以下關係:同型合子(homozygote)的頻率為其等位基因頻率的平方,異型合子(heterozygote)的頻率為二個等位基因頻率相乘再乘以二,此即『哈溫平衡』(Hardy-Weinberg Equlibrium,簡稱HWE)。」

例如:某一基因座有兩個等位基因A與a,其頻率分別為p與q。若符合哈溫定律,則隨著時間改變p與q不變。在哈溫平衡的情況下基因型AA的頻率為p的平方,Aa的頻率為2pq,aa的頻率為q的平方,也不會隨時間改變。

如果這個選項是,「演化是族群中等位基因頻率改變」,那就是對的,因為等位基因頻率改變正是演化。可是它問的是「一個正在演化的族群,其某一等位基因頻率不符合哈溫定律」,這就讓人有點不知所云了。首先「正在演化的族群」這個詞就很模糊,難道這是假設有「不在演化的族群嗎」?再者等位基因不符合哈溫定律,到底是指,等位基因頻率隨時間改變,或是基因型不符合哈溫平衡?如果是前者,這個選項勉強可以算是對的,如果是後者則不然。很不幸的,出題者真正的意思很難在這裡看出來。

哈溫定律告訴我們,如果符合五大前提,則族群內等位基因頻率不變,不同基因型的比例可以從等位基因的頻率計算出來。但是哈溫平衡並沒有反之亦然,也就是說如果不符合前提,基因型比例也不一定會偏離哈溫平衡。這就像是4+4一定等於8,但是8不一定等於4+4,有可能是3+5,或是2+6。

我們舉一個例子,也就是鐮刀型紅血球而造成的貧血(Sickle cell anemia)。就算是這麼嚴重的血液疾病,其基因座的基因型頻率仍然符合哈溫平衡1。另外在許多遺傳學以及演化學課本都會利用MN血液型,來練習計算哈溫平衡2,就是因為這個基因座資料很多,而且均符合哈溫平衡。但是這個基因座是人類基因中已經知道受到天擇影響而演化最快速的例子,這些改變可能與對抗瘧疾有關3。許多地區MN血液型都有變異,例如台灣的阿美族在這個基因座上有一個特殊的等位基因米田堡-III (Miltenberger-III; Mi-III)。Mi-III在世界其他族群的頻率均小於5%,但是在阿美族可高達88% 4,很可能是受到天擇的影響,但是這個基因座仍然符合哈溫平衡。

現在是後基因體時代,因此人類遺傳學家通常擁有巨量的遺傳數據。但是他們在分析之前,往往會把不符合哈溫平衡的基因座先剔除再行分析。理由是「不符合哈溫平衡比較大的機會可能是實驗誤差造成的」。然而這些被篩選過的數據會被拿來分析人類的適應(天擇)、族群大小(族群大小決定遺傳漂變的程度)、遷移,以及不同基因的突變速率等等哈溫定律的前提。

所以,符合哈溫定律的五大前提則不會產生演化,但是演化的發生不一定會影響哈溫定律所預測的結果。就像是4+4一定是8,但8不一定要由4+4達成。這也就是我們為何認為B並不是一個正確的選項,因為題幹的說明與設計是有暇疵的。

再看(C)選項。一般而言,人擇是指人類特地選擇特定性狀的結果,例如選更大的瓜果,長肉更快的雞,以及跑更快的馬等等。但是在抗藥性的篩選過程中,抗藥性這個特徵並不是特意被人類選擇的,應該沒有人會去選帶有抗藥性的細菌(姑且不談陰謀論)。所以抗藥性應該不能算是人擇的結果。也就是說,即使生物的性狀演化受到人類因素的介入,仍不見得就是人擇。

拉馬克。 圖/維基共享
拉馬克。 圖/維基共享

最後看(D)選項。這是一個有關科學史以及科學哲學的問題。關於生物會演化的觀念,拉馬克學說(Lamarckism)確實影響了達爾文。在1861年《物種原始》的英語第三版的序言中,達爾文寫到:

Lamarck was the first man whose conclusions on this subject excited much attention. This justly-celebrated naturalist first published his views in 1801, and he much enlarged them in 1809 in his 'Philosophie Zoologique,' and subsequently, in 1815, in his Introduction to his 'Hist, Nat. des Animaux sans Vertèbres.' In these works he upholds the doctrine that all species, including man, are descended from other species. He first did the eminent service of arousing attention to the probability of all change in the organic as well as in the inorganic world being the result of law, and not of miraculous interposition. With respect to the means of modification, he attributed something to the direct action of the physical conditions of life, something to the crossing of already existing forms, and much to use and disuse, that is, to the effects of habit.

(簡譯:拉馬克的學說,是在這個領域裡最早受到注意的。他於1801年首先發表他的觀點,並在1809發表的著作《動物哲學》中進階闡述其理念,然後在1815年的《脊椎動物自然史》這些著作中指出所有物種,包括人類,都是由其他生物演變而來。他卓越的研究引發大家注意到生物以及非生物的演變都是遵照自然的定律,而非神奇力量的介入。至於生物是如何改變的,他認為是某些直接改變生物本身的因素,某種改變現況的力量,使用或不使用(某個器官),以及其對棲地的效應所造成的。)

雖然達爾文推崇拉馬克是位先行者,但是我們從未見過有任何學者認為達爾文主義(Darwinism)是受了「用進廢退」的啟發。

以「用進廢退」作為形容演化的過程是可以的,但是如果用來描述演化的遺傳基礎則並不相容。達爾文窮盡一生,試圖為演化學尋找遺傳的機制而不可得,他自己也非常清楚,如果沒有遺傳基礎他的理論是不完備的。即使如此,達爾文並沒有接受用進廢退作為演化論成形的基礎。

綜上所述,我們認為這個題目的標準答案B是有瑕疵的。受限於考試的情境,指考的題目通常比較簡練,但是演化的許多觀念往往不容易用一二句話說明,因此題目的設計上就需要多費心。而這類題目的出現也顯示了國高中教材的編寫、大學教育的現場,前端科學發展以及教學評量之間重大的落差,這也是在未來科學家、教育學者、教材撰寫者與第一線基層教師應更加強合作的地方。

  • 本文作者感謝陽明大學生命科學系暨基因體科學研究所可文亞教授、台師大生命科學李壽先教授,以及大葉大學生物資源系賴伯琦教授的建議與斧正。

達爾文。 圖/維基共享
達爾文。 圖/維基共享

 


 

▍作者簡介:

演化生物學聯誼會是由國內各大學與研究機構的演化生物學者所組成的團體。這個團體的成立目的是交流演化生物學的知識、技術發展以及教學方法,並促進單位之間的合作,同時也關切這個社會中關於演化生物學的相關議題。

  • Taiwo, I. A., Oloyede, O. A. & Dosumu, A. O. Frequency of sickle cell genotype among the Yorubas in Lagos: implications for the level of awareness and genetic counseling for sickle cell disease in Nigeria. Journal of community genetics 2, 13-18, doi:10.1007/s12687-010-0033-x (2011).
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