BBC：人类驱动的“非自然生命演化”未来将走向何方（组图）

这些跳动的橙色斑点好像是在热盘子上四溅的爆米花，但跳动的方式却有些奇怪。单个跳动的斑点是紧紧绕圈自转。一对对的好像是在跳双人慢舞。成团的则逆时针旋转一圈后消散。爆米花相互之间的每一次碰撞都会产生新的运动，但看来相当有规律。

座头鲸发出的歌声因人类制造的海洋噪音而改变，但这种巨大海洋动物也启迪了人类的发明创造（Credit: BBC）

在这段短视频中看起来像爆米花的东西，实际上是显微镜下才能看得到的由青蛙细胞合成的人工有机组织，即活体机器人，被称为“异种机器人”（xenobot）。

活体机器人似乎是一个怪异的概念，但实际人类第一次提到的机器人就是由肉体而不是金属制成的。机器人（robot）这个词是1921年捷克剧作家卡雷尔·恰佩克（Karel Ĉapek）的一部戏剧《罗森的万能机器人》（Rossum's Universal Robots）首次开启使用。这部戏与英国作家玛丽·雪莱（Mary Shelley）的《科学怪人》（Frankenstein）一样是一个思想实验，反映科学家对人造人的愿望。恰佩克的剧中人罗森是一位有争议的科学家。他宣称，“大自然只发现了一种合成生命体的方法，然而，还有一种更简单灵活而且快速的方法，是自然界从未出现过的。”

剧中另一角色说，“想象罗森坐在试管前，思考他如何种出一整棵生命之树。”

但在接下来的一百年，机器人却是由钢铁和金属丝，而非活体组织研发制造出来。美国塔夫茨大学（Tufts University）的发育生物学家道格拉斯·布莱克斯顿（Douglas Blackiston）说，“工程学比生物学发展得快。”不过现在生物学正迎头赶上。布莱克斯顿是设计“异种机器人”的科学家团队中的成员。他们设计的这种微型活体机器人是用一种青蛙——非洲爪蟾（Xenopus）的细胞组织精心合成，所以才取名为“xenobot”。

这第一批异种机器人在2020年初问世。这是由皮肤细胞构成的微小立方体，由两条用心肌细胞合成的短腿推动。先由电脑算法设计出蓝图，再由研究人员人工合成，让异种机器人可以自行行走。（一个令人高兴的巧合是，非洲爪蟾的学名Xenopus意思即是“奇异的脚”。）这些有机机器人还可以协同工作，移动其周围环境的粒子，而且与机械机器人不同的是，受伤后可以自我愈合。

如果活体机器人已够奇怪的话，那么下一代活体机器人更会让人匪夷所思。

布莱克斯顿说，“要是我把你汽车的所有部件任意连接在一起，你一定会觉得结果很糟糕，但现在我们发现，生物学比这灵活很多，可以任意发挥。”布莱克斯顿团队研发的异种机器人Xenobots 2.0是从青蛙胚胎中提取的干细胞合成，可以不依赖算法自行发育。这些细胞开始独立地发展出全新的身体结构，体表长满可游动的毛发状纤毛。这通常是在肺部发现的特征，但活体机器人的纤毛更像是可快速摆动的肢体，让异种机器人能在环境中游动，例如在一个环绕形状的迷宫中游走，但不会越界。

由于实验室的特殊条件，青蛙胚胎的干细胞未能像身处自然界那样发育成蝌蚪，而是发育成与其两栖动物本身迥异的一种躯体。它们会自发地自我组装，蛙式跳跃般地进行演化。

为了进一步提高这异种机器人的性能，布莱克斯顿及其团队要求人工智能提出一个改进的设计。超级电脑经过演算的改进蓝图是类似视频游戏吃豆人（Pacman）形状的异种机器人，其凹槽看起来像张开的大嘴。这个第三代版本异种机器人（Xenobots 3.0）更令人吃惊：竟然可以用它们的凹槽“大嘴”吃进数百个干细胞，然后繁衍出新的异种机器人（如本文置顶的图片所示）。换言之，这种异种机器人已演化出一种全新的繁殖方式，与已知自然界任何繁育方式都不一样。

未来的几代版本可以通过设计其生存环境来进行研发。布莱克斯顿说，“现在我们正在认识这个系统的输入方式。我们现完全集中心思研究如何让环境因素来帮助形塑机器人的自身设计，这些环境因素包括化学线索、粘性环境、压缩之类等。”

他说，异种机器人是“一种不完美的有机体”。尽管异种机器人符合生命系统的大多数标准，但其生育机制是一种“功能性的自我复制”，能组装成外观和行为一样，但并不完全相等的新机器人。

不论如何，异种机器人的创造问世已可以视为整个地球生物界在人类压力影响下作出创造性演化反应的一个缩影。地球万物生灵自太初以来一直不断与环境生态交互适应改变，正是这种相互作用推动了生命的演化。但是，现在却因为人类以千变万化的方式主宰着地球上几乎所有的生态环境，从此一个新的因素加入了地球生命的演化公式，这个新因素即我们人类。

至少从大约三万年前狗被驯化之时，人类已开始型塑其他动物的肢体。到今天农业的工业化生产、新物种的引进、以及城市化、环境污染和气候变化等人为因素所造成的综合作用，对地球物种正在造成前所未有的自然选择压力。我们人类已经成为影响全世界物种演化的最强大力量。

至少对于较大较复杂的生物，演化所需时间可能相当慢长。因此这使得许多动物无法迅速适应人类统治的地球，目前地球物种灭绝的速度比没有人类干预的史前时代要快了1000倍。

但动物体内一种内在的基因组可塑性使个体动物能以最佳适应性的身体计划和行为模式面对新的机遇和压力，从而有可能使生物短时间发生快速演化。这个所谓的微观演化可以在动物短短几代的时间内发生。

也许最著名的例子就是英国的胡椒蛾。英国工业革命时胡椒蛾的颜色逐渐从白色变成了黑色，以适应大量烟囱冒出的黑色煤烟和被污染的空气。利物浦大学的研究人员指出导致胡椒蛾颜色由白变黑是基因突变，并计算出发生时间可能在1819年。

胡椒蛾颜色的变化是已知人类环境污染触发动物微观演化其中最早一例（Credit: Science Photo Library）

1878年，一位蝴蝶标本收藏家首次观察到胡椒蛾颜色的变化，并将他的发现告知了演化论的奠基人达尔文（Charles Darwin），但这位伟人似乎未加留意。后来有人提出这一发现可证明达尔文的自然选择演化观点，但其实胡椒蛾的“工业黑化”并非是自然选择的演化例子，而是人类干涉造成的微观演化。不过当时人类干涉才刚刚开始。

现今除南极洲以外，地球各大陆都能观察到人类影响造成的动物特征之变化。

今天在美国，用卡车从一个农场运送到另一个农场的工业蜂箱里的工蜂，已比其野生的近亲个头大了三分之一，而行为也比野生近亲温顺。在过去的100年里，北美鸣禽改变了翅膀的形状，以适应因森林砍伐而支离破碎的栖息地。在人类偷猎的压力下，赞比亚大象生来就没有象牙。甘蔗蟾蜍在1935年被引进到澳大利亚，初衷是为了消灭有害于甘蔗种植园里的甲虫。但在这一物种入侵后，澳洲黑蛇的嘴就变小，因为黑蛇后代学会避开吞食蟾蜍大小的猎物，以免中甘蔗蟾蜍的剧毒而亡，蟾蜍本身则开始猎食同类，作为成功捕食者自己反遭其害。

巴布亚新几内亚的海蛇因生活在锌污染的水域中，受毒素影响，蛇身变暗，蜕皮次数增加。有种蚊子已经演化到只能生活在伦敦地铁的隧道里，并失去了与其地面表亲交配繁殖的能力。在纽约和芝加哥地铁系统生活的蚊子中也观察到了类似的基因多样性下降现象。因气候暖化欧洲大陆的黑头莺栖息地扩大，这种鸟类原飞往伊比利亚半岛过冬，现改飞到纬度较高的英国。

不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）的演化生物学家萨拉·奥托（Sarah Otto）说，“从来没有任何一个物种如人类能如此迅速地改变了生物演化过程。达尔文如在人世，一定会震惊不已！”

奥托说，我们不一定都知道是什么导致了这些特定的变化，不知道是出自于物种行为的可塑性还是某个亚种群演化开始，以及某个确定的亚种群于何处开始形成。但是，有足够多的例子表明，这与基因变化有关，因此我们知道有更深层次的事情正在发生。

她说，“在野外生活避开城市的天鹅与亲近人类的天鹅有基因差异。”她指出，迁徙到英国的黑头莺和仍然飞往伊比利亚的黑头莺之间的区别“很明显是遗传的”。她说，“黑头莺的幼鸟已有这种差异，”这样的变化是新物种出现的第一步。奥托补充道，“生活在伦敦地铁隧道的蚊子就是一个例子，我们可能正在此形成一个新的生态区域，并为一个物种形成创造新的机会。”

我问萨拉·奥托，我们人类是否因为干扰物种的生态从而正在减少物种演化的机率，比如现地球上的陆地有36%开发为农业之用，而且全球各地的城市环境越来越彼此相似。一项研究发现，现在人造材料的质量超过了地球生物量的总和。根据许多分析，由于人类活动，地球生物的多样性正在大量减少。奥托同意这个看法。她说，“在某些方面，我们人类正在同质化地球。但另一方面，人类正在造成非常极端的环境变化。城市环境与我们的农业环境完全不同。”

气候变化已改变了某些鸟类，如黑头莺的过冬路线（Credit: Science Photo Library）

高污染场地，如矿场的尾矿库，代表着人类干涉自然的另一类极端情况。所有这一切都源出于我们人类。人类导致的物种加速演化无法抵消物种的灭绝危机，不过将因此产生一个由与我们人类共荣共存的动物和植物所定义的世界。奥托说，“演化是一个不可思议的创造过程，永不会停止，将继续创造出能忍受我们人类的新物种。”

甚至微生物也受到同样的人类压力而演化，有的促成了革新，有的则抑制了革新。奥托说，农业肥料可以把细菌带到新的土壤环境，就像原生于黑海和里海的斑马贻贝和其他侵入性生物通过船舶的压舱水被带到异地水域开始新生活一样。根据微生物学家迈克尔·吉林斯（Michael Gillings）之说，大量被抛弃到大自然中的抗生素（猪牛羊每天排泄的粪便中就有多达五亿份抗生素）类似于一个入侵物种，加速了微生物演化的基本速度。与此同时，哺乳动物王国的同质化意味着越来越多的微生物是由我们人类作为食肉或视为宠物的有限动物的肠道微生物所组成。

博物学家兼自然节目主持人吉莉安·伯克（Gillian Burke）花了一生的时间观察世界各地的动物群落。我问她观察到什么样的变化。她告诉我，“我会知无不言的告诉你。我在肯尼亚长大，记得年幼时那里景貌流动自然，山山水水绵延相连。但现在从空中看下去，风景线已经变成了正方形和直线。”

是否可以这样说，人类已经把我们的地球家园变成了一个物种演化示范的巨大实验场？我如是问。伯克回答我说，“对于我，这样的表述很重要，因为这说明我们正在进行这样的实验，但是我们人类也是被实验的一部分。新冠病毒的大流行就是狠狠对我们敲响警钟。人类成了驱动物种变异的选择压力，病毒传播得越多，变异就越多。疫苗是一项新的对应创新，但随后病毒就会说，‘好吧，那我就改变主意，玩点其他花样吧’。人类自己就在这场实验中。”

伯克补充道，在防疫封城社交隔离期间，大多数人都会注意到动物行为的变化。生活在城市地区的鸣鸟已经学会用更响亮的叫声来应对交通噪音和其他城市噪音。她说，“但第一次封城时，人们才首次真正体会到这一点。 大家说，‘哦，太安静了，现在我们都能听到鸟叫声’。但是要知，鸟儿们也是第一次听到了彼此的鸣叫！”

据伯克说，动物的行为方式就是文化，而动物文化会因人类的压力发生演化。她说，大象会一代又一代地传递知识和信息，比如大象的迁徙路线等。但因为人类的偷猎和人向冲突地区的扩大，以及气候变化等，大象觅食和寻找水源变得更加困难，使得大象文化的传承也发生改变。其他动物的文化也因人类因素在衰退。城市刺耳噪音意味着某些鸣禽无法跟随父母学会正确的鸣唱。座头鲸也是动物界的声乐学习者，每个鲸群会共唱一首独特的族群之歌，复杂的曲调会因与其他鲸群的接触互动而生变。但是，人类航运造成的海洋噪音对座头鲸唱歌影响最大，有的鲸群甚至变得沉默而不再发声。

在人类的演化中，文化也发挥了作用。借助工具和科技，人类加速了自身的演化，如英国作家盖亚·文斯（Gaia Vince）在她的著作《超越》（Transcendence）一书所解释，科技让人类可以不改变人类身体而获得新的能力，共享的文化让我们能够接触到集体的思想，获得大量的信息和洞见。

人类的文化创新很多是借鉴于动物，或是试图复制动物的能力。早期人类的石器是模仿捕食动物的锋利牙齿。人类最早的技术是利用生物活体组织，如兽皮和和植物绳索。人类社会因借鉴和学习动物得以发展。但颇为讽刺的是，现在如此多的物种被迫适应人类主宰的地球生活，而我们人类生活的世界却越来越多地模仿其他生物的身体和行为。有关人类模仿生物的科学称为仿生学。

在地铁环境中发现的基因突变蚊子有可能最终会演化成一种新的物种（Credit: Tolga Akmen/AFP/Getty Images）

使“仿生学”这个术语流行开来的生物学家珍妮·本尤斯（Janine Benyus）说，“人类身边到处都是动物天才。仿生学是一门向这些天才学习的新学科。”白蚁冬暖夏凉的蚁巢启发人类设计了效能更高的空调。世界上车速最高的一种火车日本新干线列车是模仿翠鸟喙的外形，让火车能达到每小时299公里的高速。人类利用仿生技术制造出仿效蚊子喙的精细外科手术用针，仿啄木鸟头骨吸震性的飞行记录仪（飞机黑盒），仿海獭皮的优质潜水服，以及模仿蝴蝶翅膀彩虹色而使伪造难以得逞的钞票。

动物的聪明才智也为人类解决一些最紧迫的环境问题提供了新思路。从模仿座头鲸鳍或蜂鸟翅膀的凹凸不平表面的风力涡轮机叶片，到学习向日葵一样逐日转向的太阳能电池板，仿生技术可以帮助人类生产可再生能源。替代混凝土的建材可能会模仿珊瑚从海水中吸收矿物质建造自身结构的方式，从海水中“种出”未来的城市，同时可将多余的碳封锁在建筑物的地基和墙身中。学习牡蛎等自然滤食性动物可以帮助人类恢复枯竭的海洋栖息地。

甚至微生物也能在人类仿生学中充当一角色。一种称为大阪堺菌（Ideonella sakaiensis）的细菌，已经演化到可以分解消化塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。而一种在土壤中常见的微生物扭脱甲基杆菌（Methylorubrum extorquens），会产生一种可以聚合核废料中最危险半衰期也最长的两种元素镅和锔的蛋白质。

异种机器人也可以对地球产生积极的影响。robot一词源于捷克语robota，意为强迫劳动。未来的异种机器人可能会被人类派去清理垃圾。生物机器人可以清除海洋中的微塑料或土壤中的污染物。携带一种特殊蛋白质的异种机器人，在某些特定波长的光波下发绿光，但其他波长下则发红光，几个小时后异种机器人就会“记住”在不同波段下的色彩反应。

布莱克斯顿说，“你可以设计异种机器人感知特定的化学物质，如同一个软件程式对其下令‘只要感觉到有毒物质，就游过去，释放一种能中和毒素的化学物质’。”其同样特性也可以应用于医疗领域，比如让异种机器人进行非侵入性治疗或寻找病因。

以目前的形式，一旦储存在细胞中的食物耗尽，异种机器人就会死亡。希望它们能自我演化出从身边环境获取能源的机能还很渺茫。布莱克斯顿说，“作医学皮肤活体检查时，放在水中的皮肤细胞是无法存活的，需要一个严格受控的细胞培养环境。同样，自然界中的青蛙经常会失去皮肤细胞，而这些皮肤细胞自身无法繁殖，也无法演化出获取能量的能力。”

不过布莱克斯顿预料未来的生命演化会出现一些令人惊讶的转折。他说，“因为人类在生物工程、干细胞生物学和计算生物学方面有很大成就，我们会看到人类和电脑将增大步伐朝着设计生命系统的方向发展。”但他也指出，科学家的研究必须公开，这是至关重要的，“我希望能看到伦理学家、律师和社区成员更多地参与到研究的设计中，而不仅仅是在技术走出实验室进入世界后才出来放马后炮。”

新一代的异种机器人展现出来的生命可塑性相当神奇，不可思议。但其前景也提醒我们，为适应一个由我们人类主宰的世界，万千动物是如何频繁地被迫调整改变自己的身体以存活下来。地球上究竟有多少物种能够适应今天因人类干涉而瞬息万变的世界？要回答这个问题，还有待观察。不过可以肯定的是，人类在整个地球对生物适应性的意外干涉实验还在加速中，动物的生存智慧正受到前所未有的考验。