生物世界的數學遊戲(改版)

生物世界的數學遊戲(改版)
定價:380
NT $ 276 ~ 342
  • 作者:史都華
  • 原文作者:Ian Stewart
  • 譯者:蔡信行
  • 出版社:天下文化
  • 出版日期:2010-06-30
  • 語言:繁體中文
  • ISBN10:9576217857
  • ISBN13:9789576217852
  • 裝訂:平裝 / 406頁 / 14.8 x 20.5 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
 

內容簡介

鳥為什麼會成群結隊?
駱駝走路時四隻腳的先後順序,有什麼模式?
神仙魚的美麗條紋與向日葵的交錯螺線,是怎麼來的?
除了DNA,生物世界裡到底還暗藏什麼玄機?
且讓《生物世界的數學遊戲》帶你欣賞
數字與大自然的完美結合,
認識「生物數學」這門新科學。

  虎皮條紋和蝴蝶斑紋,有沒有共同原理?

  根據科普作家史都華的說法,答案是:「有」,而且深藏其中的法則就是數學。

  史都華認為,DNA就像食譜,雖清楚寫出材料、分量和做法,卻不保證一定做得出成功的佳餚──

  從食譜到完成,過程中還必須考慮種種複雜的因素。

  雖說基因能命令生物體朝某個方向移動,但真正告訴生物體如何回應這指令的,卻是這微妙的化學物理世界當中的數學定律。

  《大自然的數學遊戲》已經帶你看到一個處處充滿圖案模式、數字模式的美麗新世界;在姊妹作《生物世界的數學遊戲》,史都華將進一步告訴你:複雜理論如何解釋生命的起源與演化,費布納西數列以何種方式與大自然結合,以及動物的步伐呈現出哪些數學秩序。

  就讓我們再走一趟深度而有趣的探索之旅吧!

作者簡介

史都華 Ian Stewart

  全球著名的數學家,任教於英國沃里克大學(Warwick University),研究專長在非線性動力學、混沌理論及其應用。

  史都華教授非常擅長通俗數學著述,他是《科學美國人》雜誌的數學專欄作家,《新科學家》雜誌的顧問,《科學》雜誌和《發現》(Discover)雜誌的定期撰稿人並且長期為英國報紙撰稿,也經常上美、英、加拿大的電台、電視台解說數學話題。

  史都華所寫及與人合寫的書已超過六十本,包括《大自然的數學遊戲》(天下文化出版)、《上帝玩骰子嗎?》(Does God Play Dice?)、《可畏的對稱:上帝是幾何學家?》(Fearful Symmetry),以及與生物學家寇恩(Jack Cohen)合寫的《混沌之崩潰》(The Collapse of Chaos)等書。

  1995年,史都華教授獲頒英國皇家科學院的「法拉第獎章」(Michael Faraday Medal),表揚他在科普工作方面的傑出貢獻。

譯者簡介

蔡信行

  台灣大學化學工程系畢業、美國卡內基美隆大學(Carnegie-Mellon University)化學碩士、化學博士。專長為石油化學、高分子化學及物理、流變學。歷任中國石油公司企劃處副處長、研究發展委員會執行祕書、靜宜大學及東海大學兼任副教授等。著作有《石油產品及其應用》、《聚合物化學》、《奈米科技導論》、《石油及石油化學工業概論》及《最新化工製程及新材料》等,主編《替代燃料與再生能源》及《新世代石油化學工業專輯》,譯作有《數學遊樂園之觸類旁通》(牛頓出版)、《凝體 Everywhere》、《生物世界的數學遊戲》、《國民科學須知》、《現代化學》、《觀念化學II、III》(以上譯作為天下文化出版)、《從地球看宇宙》(寰宇出版)、《數學的故事》、《夸克到宇宙》(世茂出版)及《物質的終極影像──反物質》(年輪出版)。蔡博士喜歡登山,是第34位完成台灣百岳的登山家,對自然生態頗為重視

 

目錄

序    二十一世紀的新科學──生物數學 史都華

第一章  生命方程式
小至分子,大至整個生態系,
我們在生命的無數層面都發現了數學模式。

第二章  生物世界的模式
無生命的物質表現出簡單的行為,
而有生命的生物體則複雜得難以想像。

第三章  DNA的幾何
將DNA指令轉換成蛋白質的遺傳密碼,
會如克里克所稱的是一種凍結的偶發事件?

第四章  細胞的數學之舞
我們愈仔細探究細胞,就愈瞭解細胞,
就看到有愈多的數學在運作。

第五章  演化、混沌、複雜
演化可以有明確的方向,有某種程度的
可預測性,有屬於自己的動力學。

第六章  費布納西的花朵,碎形的莖枝
有效堆排就是一種適切的解釋,
這方式顯然有助於產生強壯而堅實的植物。

第七章  蝴蝶、斑紋、動力學
動物可以同時有斑點的身體和條紋的尾巴,
卻不會有條紋的身體和斑點的尾巴。

第八章  孔雀的偏好──對稱美學
據研究顯示,雌性選擇並不是全憑運氣,
而是一段奇特的傳奇,綜合了感覺、對稱和性。

第九章  動物的步調
生物移動的數學模式多得不勝枚舉,而在過去,
遺傳學對於這個領域能告訴我們的似乎是少之又少。

第十章  群鳥之歌
群體行為所牽涉到的不只是生物體,
還包含了生物之間的互動,也就是系統的行為。

第十一章 珊瑚礁爭奪戰──生態系數學模型
數學真的可以處理像生態系這般複雜的體系嗎?
如果答案是「否」,那問題就大了。

第十二章 追尋生命的另一個奧祕
我們不妨把生命的形成看成一種數學挑戰,
並思考我們需要發展什麼樣的數學來瞭解生命。

附錄 延伸閱讀

 

二十一世紀的新科學──生物數學
史都華

  何謂生命?生命從哪裡來?為什麼生物世界與無機世界是如此不同?

  生命究竟有多特別?

  這些問題,自從科學初萌之時,就一直困擾著人類——說實在的,早在科學誕生之前,這些問題就存在著,數千年來不斷激起辯論,而爭論的主題,就是生物體的特殊本質。生物(有機體)是多樣的、柔韌的、無法預測的;生物可以自己做抉擇,對環境做出反應,而最重要的是——可以繁殖。有機世界看起來與無機世界全然不同:生物學與物理學好像有天壤之別。

  或者一向就像這樣。

  哲學家和科學家一直在爭論,我們是否可能像瞭解天氣變化或行星的運動一樣,去瞭解生命。過去一直有人認為,生命體是由某種特殊的物質構成,這種物質基本上不同於形成空氣、海洋、山丘或陸地的組成物質。但另一方面也有人認為,生命可能只是一種特殊結構,由普通的無機物質所組成。

  生命的起源向來也是熱烈爭辯的話題,有些人認為生命真是太特殊了,所以只能由超自然的東西來支配;另外一些人抱持的想法則是,在足夠充裕的環境下,而且假設時間也足夠,那麼平凡的東西必定會以更為複雜的方法自我組合,使生命自動浮現。這幾種觀點都是極端,還有許許多多不同的想法介於中間。

  一直要到二十世紀中葉,對於生命是否含有無機的組成,才開始有清楚的認知。

  DNA,是生命的第一個奧祕,它的分子結構的發現,解開了這個特殊的謎。生命是一種化學的形態——但這種化學不像試管中所看到的,而是很複雜、能夠讓工業城鎮看起來像恬靜村莊的化學。地球上每一個生命體內,都包含著複雜的分子密碼(我們連一個也不知道),這套密碼宛如一部「生命之書」,指定了生命體的形態、生長、發育及行為。我們的命運寫在基因上。

  當然,這個發現是歷來最重要的,無疑改變了我們對生物世界的看法,打開了解答生命許多奧祕的全新思路——但不是全部。

  還有一些祕密藏在遺傳密碼的更深處。基因對地球上的生命是至關重要的,扮演著形態及行為的決定者,但是這樣的角色可能被過度渲染,特別是在媒體上。基因並不像工程用的藍圖,反而比較像食譜上的烹飪法;它會告訴我們要用哪些材料、用多少量、次序如何,但是並不提供獲得最後結果的完整正確方式。

  每位廚師都知道,食譜與煮成餐食是不一樣的:在烹調與餐桌之間,還有爐子、烤架、鍋碗瓢盆、調味等複雜的因素。揉麵糰、烘焙麵包的方法,上一週用起來極為順手,但這星期你卻可能把麵包做得像煎餅一樣扁平。光研究烹調的方法或爐子,或甚至兩者,是找不出失敗原因的;你還必須考慮到控制著水、小蘇打、熱空氣及生麵糰的物理與化學定律——還有其他數也數不清的因素。

  不過,在嘗試瞭解生命的同時,我們發現單單只看它的DNA密碼序列(生命的食譜),就這麼引人入勝。DNA簡潔而井然有序;生命體卻是凌亂的。DNA可以用一串符號來掌握;而物理學的定律,甚至需要複雜的數學來敘述。

  再者,我們對遺傳學的瞭解有驚人的成長,開啟了無數成功的研究線索,這將使我們花上數十年,去追蹤那些最為明顯的線索,而較為難以捉摸的則暫且放在一邊。

  結果,我們差一點就忽視了眼前的重要事實:生命不只是基因而已。

形態之謎

  生命在充滿內涵的物理宇宙中運作,受到宇宙中的定律、模式、形態、結構、程序及系統的規範。而基因,在物理定律的規範下作用,如果單獨靠物理或化學作用就能完成艱巨的工作,那麼基因就能放心地聽其自然。基因把物理宇宙輕推向特定方向,去選擇其中一種化學物質、模式及過程,而不是另外一種;但控制著生長中的生物體、告訴生物如何應對遺傳指令的,卻是物理及化學作用裡的數學定律。

  數學如何控制生物體的生長,是生命的另外一個奧祕(或第二個奧祕,如果你願意這麼稱呼的話)。沒有了數學的規範,我們絕對解不開生命世界的不可思議;由於生命是基因與數學合作的結果,因此我們必須同時兼顧這兩者。有了這層認知,就像拿著一根閃閃發亮的線,穿過生命科學的歷史——不過,持有這種想法的,只是那些被視為是特立獨行的人,而不是主流科學家。這些特立獨行的人,採用大多數物理科學家及數學家對生物學的看法,而不是生物學家的看法,所以他們探討生物學的方法也十分不同。這種差異,正是為何是由那些特立獨行的人,來探索生命更深層面的主要原因。

  其中一位偉大的特立獨行者,就是有數學背景的動物學家湯普生(D'arcy Wentworth Thompson, 1860-1948)。湯普生出生於蘇格蘭的愛丁堡,大半輩子都待在蘇格蘭,起先是在丹地(Dundee)的一所大學擔任生物學教授,後來則到聖安竹斯(St. Andrews)大學擔任自然史資深教授。他在一九三七年冊封為爵士,十一年後,也就是他的名作《論生長與形態》(On Growth and Form)第二版發行六年後去世。

  在這部堪稱為先驅的大作中,湯普生指出,物理科學的成功在於瞭解自然界的模式(pattern),他並對生物科學主張類似的進路。湯普生的中心論點是,生物世界中存在著牢不可破的數學模式:貝殼的螺旋形狀、植物不可思議的數目規則、斑馬黑白相間的條紋、水母的流體形態。他不僅為這些模式做歸類,還試著找出其中的物理原理。

  湯普生的論述現在看起來(當然是表面上)有點過時而滑稽,這一點也不奇怪。自從這位不隨俗的動物學家,首次發表他的想法至今這八十年來,生物學已全然改觀,它的重心也轉移了——由整個生物體,轉移到生物世界的微小要項:細胞、細胞膜,以及分子。對當代的生物學家來說,湯普生的論點有點天真而過時,所以很容易忽略他的中心論點,這論點就是:生命的許多面貌是根基於物理定律,因此我們可以借助數學裡「搜尋模式的科學」,來瞭解生命。

  不過,在這老套的物理學及生物學背後,卻存在著深奧的真理。DNA的發現,並沒有解答湯普生所謂的「形態之謎」,它只是改變了那些必須解答的謎題的背景——但是還沒有提出答案。此外,除非科學家對於生命的數學基礎,也能夠像他們在分子遺傳學所獲得的長足進展一樣,獲得同等的瞭解,否則永遠找不出答案。在這方面,湯普生的基本觀點現在看來再新穎、有用不過了。

  DNA並不是生命的唯一奧祕——克里克(Francis Crick, 1916- )在四十多年前,曾激動而有點操之過急的,對英國劍橋某間酒館裡的常客這樣說過。DNA是個極其重要的奧祕,但不是唯一的;數學家可能會說成:DNA是必要的,但不是充分的。雖然克里克和華森(James D. Watson, 1928-)把DNA推為中心舞台的明星,但是湯普生卻把他的眼光放到更深處的奧祕,也就是在幕後操控的自然基本定律,隱身後台的另一種生命之謎。

  如果想尋找這第二個奧祕,首先我們一定要認清,從湯普生的時代以來,生物學不是唯一產生劇烈改變的科學,物理學和數學也經歷過全然的改變,變得更有用、更普遍、更有彈性、更貼近錯綜複雜的生命。

  這些進展提供了全新的機會,來結合生物學與數學世界的觀點,而現今對於這種結合,正好有迫切的需要。

科學新融合

  我預測(而且不是只有我一人),二十一世紀最令人興奮、最有進展的科學領域之一,必將是生物數學(biomathematics),在新的世紀,我們將可見到數學概念及類型的爆增,這些會因為人類需要瞭解生命世界的模式而存在。這些新的觀念,將以全新的方式,與生物學及物理科學相互為用。如果成功的話,這些觀念將可讓我們對那奇特的現象,我們稱之為「生命」的現象,有更深一層的瞭解:我們將看到,生命裡值得驚嘆的本能,是從天地萬物的豐富潛在內涵及宇宙的優美數學運作當中,不可避免地浮現出來。

  這種科學新融合的第一個跡象已經可以看到。如今,數學(新的、充滿活力與創造力的數學)可讓我們瞭解生命的每一層級,從DNA到雨林,從病毒到鳥群,從第一個能自體複製的分子的起源,到莊嚴而持續不停的演化之路。

  坦白說,我們目前對生物學的數學瞭解,是片段的、零碎的、容易引起爭論的——就跟任何一門新的科學一樣。儘管結果可能不完整或不是很正確,但這些片段已經引起極大的關注,特別是對那些會想像未來何去何從的人。這也是我希望能說服各位的。

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