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“外星生物”就在我们的星球上

作者:- 文章来源:- 点击数:66 更新时间:2017/8/15 6:10:00

  来源:利维坦公众号

  利维坦按:科幻作家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)曾在作品《并非我们所知的:论生命的化学形式》(Not As We Know It-The Chemistry of Life)中提出了六种可能的生命形式:

  1。 以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物;

  2。 以硫为介质的氟化硫生物;

  3。 以水为介质的核酸/蛋白质生物;

  4。 以氨为介质的核酸/蛋白质生物;

  5。 以甲烷为介质的类脂化合物生物;

  6。 以氢为介质的类脂化合物生物。

  我们所熟知的生命形式属于第三类,以水为介质。其次便是第一类生物(硅基生物),因其出现在大量的科幻作品中而让人眼熟,比如《星际迷航》和《火星奥德赛》。

  对于栉水母研究的重要性与此不无关系,因其具备与其他地球上的动物完全不同的神经系统,栉水母或许能够让我们更加接近生命演化的真相——如果真相确实存在的话。

  文/Douglas Fox

  译/Lithium

  校对/兔子的凌波微步

  原文/aeon.co/essays/what-the-ctenophore-says-about-the-evolution-of-intelligence

  本文基于创作共用协议(BY-NC),由Lithium在利维坦发布

  译者注:alien既指异类,又指外星生物。我们所熟知的电影异形便是融合了这两种意思,指异常的外星生物。这篇文章中的栉水母具有与其他动物都不同的独特的神经系统,算是动物中的异类。但由于它带给我们的关于自然演化的启示,它又可以帮助我们认识到地外生物可能的存在形态和演化历史。故作者认为,某种意义上说,它是地球上的“外星生物”。

列昂尼德·莫罗兹,一位在位于佛罗里达的惠特尼海洋生物实验室工作的神经学家,认为栉水母区别于其他动物而独立演化出了神经元。图片由列昂尼德·莫罗兹提供列昂尼德·莫罗兹,一位在位于佛罗里达的惠特尼海洋生物实验室工作的神经学家,认为栉水母区别于其他动物而独立演化出了神经元。图片由列昂尼德·莫罗兹提供

  列昂尼德·莫罗兹(Leonid Moroz)用了20年尝试理解一种惊人的念头:甚至就在当下,在科学家们开始在其他行星寻找“外星生物”(alien)的时候,在地球上也许就有着“异类生物”——它们的机理及大脑的异乎寻常之处令人震惊。这些异类生物已藏在我们眼皮底下数千年之久。它们能够教给我们足够多关于自然演化的知识,以及我们该如何去预估生活在其他世界的生命。

  莫罗兹是一位神经学家。早在1995年的夏天,在他离开母国俄国到达美国不久之后,他就已初次预见到他如今的发现。他在华盛顿的弗赖迪港(Friday Harbor)海洋实验室度过了那个夏天。这座实验室坐落于皮吉特湾(Puget Sound)中森林覆盖的群岛间;流向相反的潮汐与潮流在这一十字路口碰撞——它们卷携着成百上千的物种流经多岩的海岸:水母群、端足目甲壳动物(amphipod crustaceans)、起伏波动的海百合(sea lilies)、裸鳃类海蛞蝓(nudibranch slugs)、扁虫(flatworms)、幼鱼、海星,以及不计其数的其他动物。这些生物所代表的不仅是皮及特湾最遥远的海角,亦是动物族类之树最偏远的分支。莫罗兹在实验室后的码头上收集动物来研究它们的神经,常常一待就是数小时。他专注研究动物王国中的各类神经系统已数年之久,希望能够理解大脑及智能的演化之源。但他之所以来到弗赖迪港是特地为了一种动物。

栉水母是古老的海洋生物,彩虹般的光芒在它身上流动闪烁。图源:quantamagazine栉水母是古老的海洋生物,彩虹般的光芒在它身上流动闪烁。图源:quantamagazine

  经过长期观察,他已能熟练地在波光粼粼的水面中认出它扁圆、透明的身体:彩虹般的光芒在它身上流动闪烁,随着数以千计发丝一般的纤毛有节奏的律动而分散开来,或明或暗,忽隐忽现——正是这些纤毛的摆动在水中推着它前进。这种动物被称作栉(zhì)水母(ctenophore, 读作‘ten-o-for’或是‘teen-o-for’,又名海胡桃);长期以来,人们一直认为它只是另一种水母。但那个夏天在弗莱迪湾,莫罗兹得到了一个颇为惊人的发现:尽管这种动物外表单调,但它是身份遭误解的动物中一个极重要的代表案例。从他的第一次实验开始,他就已认识到这些动物(栉水母)与水母毫无关联。事实上,它们与地球上其他任何的动物都有着深层的不同。

  莫罗兹测试了栉水母的神经细胞,试图寻找神经递质血清素(serotonin),多巴胺(dopamine)和一氧化氮(nitric oxide)——这些物质被认为是所有动物间通用的“神经语言”。但无论他如何尝试,他都无法找到这些分子。莫罗兹因而得到了上文中的结论。而这一结论具有深远的意义。

  届时人们已认识到栉水母有着相对发达的神经系统;但莫罗兹的这些初步实验证明了它的神经由一组不同的分子零件建立而成——与其他任何动物都不同——按莫罗兹的话说,使用“一种不同的化学语言”:这些动物是“海中的异类”。

  倘若莫罗兹是正确的,那么栉水母代表着一项比例惊人的演化实验,一项已运行了超过50万年的实验。这一单独的演化途径——类似于演化2.0版——区别于其他动物们的进化轨迹,使用不同的初始材料,独自创造出了神经元、肌肉,及其他特殊分化的组织。

生物学家们已知的栉水母种类不足200种,包括太平洋侧腕水母,海醋栗(sea gooseberry,又名球栉水母,左),及兜水母(Bolinopsis infundibulum),一种叶状栉水母(右)。图片由列昂尼德·莫罗兹提供生物学家们已知的栉水母种类不足200种,包括太平洋侧腕水母,海醋栗(sea gooseberry,又名球栉水母,左),及兜水母(Bolinopsis infundibulum),一种叶状栉水母(右)。图片由列昂尼德·莫罗兹提供

  栉水母为我们提供了线索,试想,如果现在统治着地球生态系统的脊椎动物、哺乳动物及人类不曾出现的话,自然进化将会如何发展?它帮助我们更充分地理解了一场困扰人们数十年的深刻辩驳:当今地球的生命面貌,有多少只是源于偶然,又有多少从一开始便无法避免?

  如若自然演化在地球上重新开始,智能生物将再次出现吗?如果能的话,智慧会再次青睐人类还是会轻易地降临在动物之树另一支遥远的分支上呢?通过告诉我们大脑竟能如此不同,栉水母给出了一些非常诱人的暗示。通过趋同进化,毫无关联的物种为适应同一种环境演化出了相似的特征——而大脑正是趋同进化登峰造极的产物。人类兴许进化出了空前的智慧,但栉水母暗示着我们也许并非唯一的智能生物。演化出复杂神经系统的趋势多半是普遍的——不仅仅在地球上,也在其他的世界里。

恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel)1904年的《自然界的艺术形式》中的栉水母。图源:维基恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel)1904年的《自然界的艺术形式》中的栉水母。图源:维基

  当我们对于大多数动物种群的了解逐渐深入时,我们对于栉水母却所知甚少。表面上看,它的身体同水母的非常相似——胶状的质感,椭圆形或者球形,在身体一端有一张圆形小口。海洋中有着大量的栉水母,但它们却长期被科学家们所忽略。进入了20世纪后,在教科书上的画像中,栉水母仍经常是“大头朝下”,它的嘴挂在下方,朝向海底,像水母一样,但在真实生活中,它的嘴是向上指的。

  栉水母与水母的差别远不止这一点。母运用肌肉扇动身体而游动,而栉水母则运用数千根纤毛。水母用触角叮蜇猎物捕食,而栉水母则用两支能分泌胶的粘性触角猎食——再没有其他任何动物产生了同样的适应性改变。栉水母是一种贪婪的猎食者,以其伏击战术而闻名。捕猎时,它伸展开自己分叉众多、具有粘性的触手形成一种类似蜘蛛网的东西,而后细心地将猎物一一捕捉。

科学家们仍在为栉水母在动物进化树上的正确位置而争论不已。最新的基因研究证据暗示着栉水母的祖先可能是最早脱离其他动物独立发展的。但其他的研究者们仍认为海绵可能才是最早的。科学家们同样在神经元的起源这一问题上持有不同意见。神经元在所有动物的祖先中便已存在吗?还是它们一度在栉水母中演变出来,又在水母与两侧对称动物(Bilateria)的祖先中再次出现?Olena Shmahalo / Quanta杂志科学家们仍在为栉水母在动物进化树上的正确位置而争论不已。最新的基因研究证据暗示着栉水母的祖先可能是最早脱离其他动物独立发展的。但其他的研究者们仍认为海绵可能才是最早的。科学家们同样在神经元的起源这一问题上持有不同意见。神经元在所有动物的祖先中便已存在吗?还是它们一度在栉水母中演变出来,又在水母与两侧对称动物(Bilateria)的祖先中再次出现?Olena Shmahalo / Quanta杂志

  19世纪末期,当科学家们开始检验栉水母的神经系统时,显微镜下的结果显得十分平常。栉水母躯体的底部(译者注:原文为south pole,此处暂译为底部,欢迎指正)有着一大堆的神经元;分散开的神经网络遍布其整个身体;少量厚重的神经束延展至每只触手及它8条纤毛带中的每一条。上世纪60年代的电子显微镜研究展现了这些神经元间似乎是突触的结构;这些结构中充斥着泡泡般的隔间,而这些隔间被用来释放能刺激邻近细胞的神经递质。

  科学家们往活着的栉水母的神经元中注入了钙——这激发它们(神经元)产生了火电脉冲,就像老鼠、蠕虫、苍蝇、蛇和每一种其他动物的神经元一样。通过刺激正确的神经,研究员们甚至能驱使它的纤毛按不同方式旋转——使得它正向或反向游动。

  简言之,栉水母的神经看起来像,运行方式也像任何其他动物的神经一样。因而生物学家们假设这些神经实际上也是一样。这一关于栉水母的观点契合了一种关于所有动物演化的更广义的描述——而这种描述可能也是错误的。

  海绵的故事支持了神经系统逐级发展,愈加复杂的传统观点。

  到了上世纪90年代,科学家们将栉水母置于动物族类树中较低的地方,在一支紧邻腔肠动物(cnidarian)的分支上——腔肠动物包括了水母,海葵(sea anemones)和珊瑚。水母和栉水母都拥有肌肉,都有着未完全浓缩为大脑的离散的神经系统。并且,当然它们都因为那柔软的,果冻般的,常常是透明的身体而闻名。

图为天然海绵。图源:维基图为天然海绵。图源:维基

  在栉水母和水母之下,进化树拥有两支显然更加原始的动物分支:扁盘动物门(placozoan)及海绵(sea sponge);它们没有任何种类的神经细胞。海绵看起来则尤为徘徊在“动物”这一定义的边缘:直到1866年,英国生物学家亨利·詹姆斯·克拉克 (Henry James Clark)才证明了海绵的确是一种动物。

  由此,我们将海绵奉为我们与古老的、先于动物的单细胞原生生物(protist,类似于现代的变形虫和草履虫)尚存最密切的连结。研究者们推断,古老的原生生物聚集成高耸的族群,由而进化成了海绵;其中的每个细胞并未通过游动,而是运用自己的鞭毛(flagella)——一种像纤毛一般的线状结构进食。

  这一描述支持了在动物树每支连续的分支中,神经系统逐级发展,愈加复杂的传统观点。所有动物都起源于一次进化性创造:神经细胞的诞生。而再之后的进化中,仅有一次,那些神经元跨过了第二道重要的门槛——聚集为一个集中的大脑。这一观点为另一条证据链所强化:个体神经元在昆虫与人类间以惊人相似的方式排列,形成控制情景记忆,空间导航和整体行为的神经回路。事实上,科学家们认为,最初的大脑必定很早就已出现,在昆虫与脊椎动物的祖先们进化为不同类别之前。倘若这是正确的,那么在大脑出现之后过去的五亿五千万到六亿五千万年便遵循着同一条故事线,不过是多种动物谱系基于同一基本的大脑蓝图进行了或简单、或复杂的发展。

  这一关于大脑演化的图景很合理,但1995于弗莱迪港观景时,莫罗兹开始怀疑这一观点有着深层的错误。为了证实他的直觉,他采集了数种栉水母。他将它们的神经组织切成细条,并滴入了能表明多巴胺,血清素或一氧化氮存在的化学染色剂——这三种神经递质在动物王国里普遍存在。他一次又一次地在显微镜下观察,但仍未找到任何黄色、红色或绿色的染色。

  当你重复实验时,莫罗兹说:“你开始意识到它真的是一种不同的动物。”他推测栉水母不仅仅是与它假想的姐妹种群水母不同。它与地球上的其他任何神经系统都大相径庭。

(A-D)栉水母的神经元突触示意图,(E)栉水母皮下神经概略图。图源:biologists(A-D)栉水母的神经元突触示意图,(E)栉水母皮下神经概略图。图源:biologists

  栉水母似乎是遵循了一种截然不同的演化路径,但莫罗兹并不确定。如果他此刻只观察了寥寥几个重要分子便发表结果的话,人们会完全忽视它们。“异乎寻常的定论要求异常强大的证据支持。”莫罗兹说。他从而选择了一条漫长、缓慢的道路,一条甚至比他当初所怀疑的还要漫长的路。

  他申请资金以用其他的技术研究栉水母——例如,观察它们的基因——但在数次被拒之后放弃了。那时他仍很年轻,离开苏联仅有短短数年,也才刚开始在能引发更广兴趣的英语期刊上发表成果。于是莫罗兹暂且搁置了栉水母并回到了他的主要工作,研究蛇、蛤、章鱼及其他软体动物的神经信号。12年后,仅因巧合,他才再次回到这一令他激情澎湃的课题。

  2007年,他因一次科学会议在弗莱迪港短暂停留。一天晚上,他漫步来到1995年他在此度过了许多时光的码头。在那里,他偶然瞥见了栉水母在一盏灯笼的光亮下漂流时虹彩一般的闪光。那时科学工具已经非常先进,提取全基因组序列不再需要几年的时间,可能数日就可完成。莫罗兹也已在学术界站稳脚步,在弗罗里达大学有着自己的实验室。他终于有资本能够只为好奇心探究了。

太平洋侧腕水母(Pleurobrachia bachei),图源:维基太平洋侧腕水母(Pleurobrachia bachei),图源:维基

  他取了一张网,从水中捕了大约十几只栉水母——一种叫做太平洋侧腕水母(Pleurobrachia bachei)的种类。他将它们冷冻,运回了他在弗罗里达的实验室。在三周内,他得到了栉水母的部分“转录组”(transcriptome)基因——这些约五六千种的基因序列在动物的神经细胞内非常活跃。实验结果十分惊人。

  起初,它们证实了侧腕水母缺少能够生成在其他动物中非常常见的一系列神经递质所必须的基因和酶。这些缺失的神经递质不仅包括莫罗兹在1995年就已注意到的那些——血清素,多巴胺和一氧化氮——也包括乙酰胆碱(acetylcholine),章鱼胺(octopamine),去甲肾上腺素(noradrenaline)等。栉水母也缺乏生成对应受体的基因——受体使得神经元能够捕捉这些神经递质并作出反应。

  (rstb.royalsocietypublishing.org/content/371/1685/20150041)

  这证实了莫罗兹等待数年尝试检验的假设:当他早在1995年尝试在栉水母的神经中寻找常见的神经递质而不得时,并非是他的测试出错了,而是因为栉水母并未以任何方式使用这些递质。莫罗兹表示,这“令我很惊讶”。

  “我们都使用神经递质。”他说,“水母、蠕虫、软体动物、人类和海胆,我们都有着一组非常一致的信号分子。”但不知为何,栉水母进化出了另一种神经系统:这一系统运用一组不同的,尚且未知的分子来完成这些角色(神经信号传导)。

 春夏之交,在中国和亚洲其他地区的浅海地区,经常可以看到这种形似外星生物的海醋栗(sea gooseberry,球栉水母)大量爆发。图源:The Japan Times 春夏之交,在中国和亚洲其他地区的浅海地区,经常可以看到这种形似外星生物的海醋栗(sea gooseberry,球栉水母)大量爆发。图源:The Japan Times

  栉水母由最基础的原材料演化而来,运用了一组异于地球上所知的其他所有动物的分子和基因。

  莫罗兹的转录组和基因组DNA序列表明,栉水母亦缺少很多其他基因,而这些基因在其他动物中普遍存在,对于建立和运作神经系统至关重要。侧腕水母缺少很多被称作离子通道的常见蛋白质——这些蛋白质能生成沿着神经迅速传递的电信号。它缺少指导胚胎细胞经过复杂的转化形成成熟的神经细胞的基因。它还缺少另一些基因:那些基因能将神经元逐步连接、编排,从而成为成熟的、正常运转的电路。“这远不止寥寥几种基因的存在或缺失,”他说,“这的确是一部宏大的设计。”

  (www.nature.com/nature/journal/v510/n7503/full/nature13400.html)

  这说明栉水母的神经系统由最基础的原材料演化而来,运用了一组异于地球上所知的其他所有动物的分子和基因。这是趋同性的一起经典案例:无论栉水母所能获得的遗传起始材料是什么,这一族系都已运用这些材料而进化出了神经系统。从某种意义上说,这是一个异类的神经系统——它区别于动物王国中其他的神经系统,独立演化而来。

图源:punnett.blogspot图源:punnett.blogspot

  但惊人的发现并不止这些。研究结果表明,栉水母与其他动物相比的独特之处远不仅在于它的神经系统。涉及它肌肉的发展与功能的基因也截然不同。栉水母亦缺乏数种大致决定身体纹路的基因,而人们一直以为所有动物都拥有这些基因。这些包括了被称为微小RNA(micro-RNA)的基因——它们帮助动物在器官中形成特殊分化的细胞类型——以及HOX基因——它们将身体划分为分开的部位,不论是蠕虫或龙虾分段的身体,还是人类分节的脊椎和指骨。这些基因类存在于简单的海绵和扁盘动物中,但并不在栉水母中。

  所有这些都指向一个令人震惊的结论:尽管它比海绵和扁盘动物更加复杂——它们缺乏神经细胞,肌肉以及几乎所有其他特殊分化的细胞类型——事实上栉水母才是动物进化之树上最早、最古老的分支。不知为何,在之后的五亿五千万年至七亿五千万年间,栉水母通过拼凑一组不同的基因集,设法进化出了与水母、海葵、海星及许多类型的蠕虫与贝类复杂度相似的神经系统和肌肉。

  2009年时,莫罗兹尝试发表他的结果。但论文被拒了。于是他继续进行更多的实验。

  莫罗兹在本世纪00年代末强化了他的结果,但与此同时,其他科研团队也开始把他已知的零散细节整理起来,他不禁开始担忧,在这么多年后,其他人也许反而在他自己有机会发表他的结论之前便发现和发表了它们。

  首先,2008年在《自然》(Nature)上发表的一篇研究质疑了动物之树的基本结构,削弱了长期以来关于海绵是第一支、最原始分支的假设。那篇文章比较了150种基因的DNA序列,以重建77种不同动物的进化关系——这其中便包含两种栉水母。这篇文章首次公开暗示了复杂的栉水母,而非简单的海绵,也许才是最早的分支。这篇文章的作者之一,史蒂文·哈多克(Steven Haddock),一位在蒙特里湾水族馆研究所工作的生物学家表示,仅仅是这一暗示(并非经过严谨证明的定论)便已在科学界引发了“一场风暴”。

  (www.nature.com/nature/journal/v452/n7188/full/nature06614.html)

淡海栉水母(Mnemiopsis leidyi),图源:维基淡海栉水母(Mnemiopsis leidyi),图源:维基

  于2013年12月,另一支队伍发表了栉水母的第一个基因组——源自一种叫做淡海栉水母(Mnemiopsis leidyi)的种类,并非莫罗兹研究最多的那一种。那篇在《科学》(Science)上发表的论文,也得出了同样的结论:栉水母,而非海绵,才是最靠近所有动物起源的进化分支。

  (science.sciencemag.org/content/342/6164/1242592.full)

  尽管比海绵更加复杂,栉水母似乎才最靠近所有动物的起源。

  在之后的数月内,关于海绵是最早动物的这一根深蒂固的叙述继续以其他方式分崩离析。150年来,人们一直认为海绵或多或少只是单细胞生物的聚集版本——而这些单细胞生物则被认为是所有动物的祖先。2014年1月,在位于埃德蒙顿的阿尔伯塔大学进行研究的莎莉·莱斯(Sally Leys),世界领先的海绵生物学家之一,质疑了这一关于海绵的描述。细节研究表明,海绵和被称为领鞭虫(choanoflagellate)的一种原生生物的细胞使用了不同的基因和蛋白质集以构建看似相似的结构。因此,海绵不可能由任何类似领鞭虫的生物演化而来。它们在显微镜下的相似性不过是趋同进化的又一欺骗性例证:两种毫不相关的生物为执行类似的功能演化出了类似的结构,但运用的却是不同的基因作为起始材料。

  (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ede.12060/abstract)

  这些研究摧毁了海绵是动物之树最早分支的旁证。这一看似强有力的论点,只不过是又一例被误解的身份。尽管它远比海绵更加复杂,尽管它拥有神经系统,肌肉和其他器官,现在看来栉水母似乎才最早的分支,最靠近所有动物的起源。

  但这些研究都不曾细致观察神经细胞。因而学术界依然不知莫罗兹探索的核心:区别于其他动物而独立创造出的神经系统。

  莫罗兹用了数年时间填补他的证据空缺。他的团队慢慢采集了侧腕水母基因组序列的最后几小部分,成功拿下运用现代技术都颇难测序的DNA片段。莫罗兹雇了近40个学生,详细研究哪些基因在栉水母的各个神经细胞中得到表达,以及当栉水母从胚胎开始发展时,这些细胞如何自我连结形成电路。

  2014年6月,莫罗兹终于在《自然》杂志上发表了侧腕水母的基因组。他花费7年时间完成的工作提供了确凿的证据,证明栉水母的神经细胞与神经系统区别于其他动物,独自演化而来。对他而言,栉水母代表着在地球上最接近外星大脑或外星智慧的东西。

  (www.nature.com/nature/journal/v510/n7503/full/nature13400.html)

 海洋中发光的生物有很多,图为2015年1月22日在香港拍摄到的夜光藻(Noctiluca scintillans),这种藻类之所以能发光,是因为其体内数以千计的球状胞器中,具有萤光素-萤光素酶,这些胞器就像微型的电源供应器,让夜光藻在感受到周遭环境的变化时发出萤光。图源:The Atlantic 海洋中发光的生物有很多,图为2015年1月22日在香港拍摄到的夜光藻(Noctiluca scintillans),这种藻类之所以能发光,是因为其体内数以千计的球状胞器中,具有萤光素-萤光素酶,这些胞器就像微型的电源供应器,让夜光藻在感受到周遭环境的变化时发出萤光。图源:The Atlantic

  栉水母乃是一个非常极端,非常引人注目的例子,验证了一种很可能正是普遍模式的假说:神经细胞在动物进化过程中演变了许多次,正如眼睛、翅膀和鱼鳍一样。莫罗兹如今数出了9至12种独立演变出神经系统的演化起源——至少一种位于刺胞动物门(cnidaria,这一类别包含水母和海葵),三种在棘皮动物(echinoderms,包含海星、海百合、海胆和沙钱),一种在节肢动物(arthropods,包含昆虫、蜘蛛和甲壳动物) ,一种在软体动物(molluscs,包括蛤蜊、蜗牛、鱿鱼和章鱼),一种在脊椎动物(vertebrates);而现在,至少还有一种在栉水母中。

  “形成一个神经元的方式不止一种,建造一个大脑也是。”莫罗兹说。在这些进化分支的每一支中,一部分不同的基因、蛋白质及分子被盲选出来,通过随机的基因重复和突变来参与神经系统的建造。

  吸引人的地方在于,这些不同的演化路径究竟是如何产生了在所有动物间都如此相似的神经系统。譬如说,尼古拉斯·斯特劳斯费尔德(Nicholas Strausfeld),一位在位于图森市的亚利桑那大学工作的神经解剖学家,同其他人一起发现了控制昆虫的嗅觉、情景记忆、空间导航、行为选择和视觉的神经电路与哺乳动物中执行相同功能的神经电路几乎完全一致——尽管昆虫与哺乳动物运用了有重叠部分但不同的基因子集来建造这些电路。

  这些相似性反映了演化的两大关键原则,而这些原则很可能在任何产生了生命的星球上都非常重要。第一条原则乃是趋同性:进化树上这些相隔甚远的分支之所以设计出了同样的神经系统,乃是因为它们必须解决同样的根本性问题。第二条原则是共享的历史:这些通过不同方式建造出的神经系统至少共享一些普遍的起源因素。在我们的世界里,这些神经系统演化所用的分子元件都是地球早期物理与化学环境的产物。

  事实上,所有的神经系统基本的信号机制可能都源于40亿年前地球上最早期的细胞为了生存而作出的适应性改变。早期细胞很可能在水生环境中居住,例如温泉或盐水池;这些水中溶解了多种不同的矿物质,而其中的一些,譬如钙,威胁着它们的生存(重要的生物分子,例如脱氧核糖核酸 、核糖核酸和腺嘌呤核苷三磷酸暴露于钙时会聚结成难治性的粘性物——类似于在浴缸中形成的泡沫)。因而生物学家们推测,早期生命必然演化出了尽可能降低细胞外钙浓度的方法。这种自我保护机制可能包含了将钙原子抽出细胞的蛋白质,和当钙水平上升时便触发的警报系统。后来的演化过程运用了这种对于钙的灵敏反应以在细胞内和细胞间传递信号——以控制帮助微生物移动的纤毛和鞭毛的摆动,或者在我们这样的生物体中控制肌肉细胞的收缩,或是激发神经元产生电信号。当大约5亿年前,神经系统开始诞生的时候,很多用于建造的关键零件都已经定型了。

  倘若地球的历史倒带,直至2017演化出的生物中可能并不包含我们今天所见的动物族群。

  这些原则对于我们理解自然进化以及理解地球或其他星球上生命所可能采取的形式有着巨大的意义。它们帮助我们更清楚地认识了数十亿年间,偶然性和必然性在塑造自然演化的轨迹中的相对重要性。

  哈佛古生物学家,史蒂芬·杰·古尔德(Stephen Jay Gould),在他1989年著的《美妙生命》(Wonderful Life)一书中表示偶然性是很重要的:毁灭同创新在动物的演化史中起到了同样重要的作用。他指出,五亿七千万年前的寒武纪包含了比今天还要多的动物族群,它们被称为门类(phyla)。但那些早期动物树中多种多样的分支被大灭绝永远地修剪掉了。那些灭绝为存活下来的动物族群开放了生态位(ecological niche,译者注:一个生物个体或种群的生态位指它所占有的时间与空间,以及“在生物环境中的地位,即它与食物和天敌的关系。”——C。埃尔顿;大量动物的灭绝使得存活的动物有了更多的资源与空间,减少了竞争),使它们有空间发展出更多的类型——提供了创新的机会——由而促进了演化。

图源:Giphy图源:Giphy

  与此同时,西蒙·康威·莫里斯(Simon Conway Morris),一位在剑桥大学的古生物学家,强调了进化趋同性的重要性:即使在动物树相隔甚远的分支中,即使当用于建造相似结构的蛋白质或基因之间并无联系时,演化依然趋向于一而再,再而三地得到同样的答案。

  由这两种见解出发进行推理,我们会得到一个惊人的结论。倘若地球的历史倒带并重新开始,如今演化出的生物中可能并不包含我们今天所见的动物种类。哺乳动物或者鸟类,甚至所有的脊椎动物,都可能并未出现。但进化可能仍旧产生了多数,甚至全部,产生了复杂大脑的创新:这些创新可能就只是出现在了动物之树的其他分支而已。

  当科学家们开始揣测其他星球上可能存在着怎样的生命时,一种激进的思想萌生了:与我们所知的一切都毫不相同的异类(“外星”)生物,可能此刻便存在于地球上。这种想法认为,生命在我们的星球上可能崛起了两次,或更多次——而非我们长期假设的仅仅一次。我们的生命形式占据了主导地位,而其他形式的生命则退回了角落里。这“暗藏的生物圈”将会非常难以探测,因为这些生物可能并不包含DNA、蛋白质或者其他我们赖以探测生命的分子。

  栉水母门则并非那么奇特。它乃是基于我们共享的基本化学物质,但对于动物来说仍代表着一种暗藏的生物机制。栉水母是我们失散多年的表亲,而我们甚至都不知道我们有这样的亲缘关系。

  因为栉水母使用了与我们所研究过的其他所有动物都非常不同的蛋白质和基因子集来创造大脑和肌肉,它提供了探索一些宏大问题的独特机遇:不同的神经系统之间究竟能有多大的区别?我们真的理解生命如何感知它的周遭环境,又做出怎样的反应吗?

  栉水母甚至可能为预测在其他世界里,在不基于DNA或蛋白质的更奇特的生命形式中,神经系统会如何演化而提供有用的见解。进化生物学家认为,即使有些生命体以异乎寻常的生物化学为基础,很可能它们仍是通过类似的组织方式所建立起来的。尼克·雷恩(Nick Lane),伦敦大学学院的一位生物化学家,曾写道,地外生命很可能像地球上的细胞一样,用某种细胞膜将自己与外界划分开来,并且运用细胞膜一侧与另一侧间的pH值或离子浓度的差值,为自己提供能量。从古老的陨石中汲取的化学物质能很轻易地形成细胞膜——即使它们与地球上的细胞膜并非为同样的分子所组成。而一旦在另一个世界的生物机制里,细胞膜固定下来了,生物体们很可能便遵循和地球上相似的方法演化出了神经系统。

  莫罗兹仍在尝试从栉水母中汲取更多的信息。这些动物长期为科学家们所忽略,原因之一在于它们非常脆弱,非常难以在实验室存活。为了绕开这一难题,莫罗兹配备了一条有着现代实验设备的船,在船上能够在活着的动物中提取基因组序列,培养胚胎,以及刺激神经元。通过拨开栉水母的神经电路,他希望能够更深入地了解大脑基本的设计原则,以及测试这些原则是否普遍存在。

  仅走到这一步就已很漫长了。要能确信栉水母的确异乎寻常,莫罗兹首先必须驳斥他从之前的研究者们那里学到的很多东西。因为他“最初的假设同教科书里的完全一样,”他解释道,他用了20年才终于形成一种新的思维方式。

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