人類驅動的「非自然生命演化」未來將走向何方

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座頭鯨
座頭鯨發出的歌聲因人類製造的海洋噪音而改變,但這種巨大海洋動物也啟迪了人類的發明創造(Credit: BBC)

這些跳動的橙色斑點好像是在熱盤子上四濺的爆米花,但跳動的方式卻有些奇怪。單個跳動的斑點是緊緊繞圈自轉。一對對的好像是在跳雙人慢舞。成團的則逆時針旋轉一圈後消散。爆米花相互之間的每一次碰撞都會產生新的運動,但看來相當有規律。

在這段短視頻中看起來像爆米花的東西,實際上是顯微鏡下才能看得到的由青蛙細胞合成的人工有機組織,即活體機器人,被稱為「異種機器人」(xenobot)。

活體機器人似乎是一個怪異的概念,但實際人類第一次提到的機器人就是由肉體而不是金屬製成的。機器人(robot)這個詞是1921年捷克劇作家卡雷爾·恰佩克(Karel Ĉapek)的一部戲劇《羅森的萬能機器人》(Rossum's Universal Robots)首次開啟使用。這部戲與英國作家瑪麗·雪萊(Mary Shelley)的《科學怪人》(Frankenstein)一樣是一個思想實驗,反映科學家對人造人的願望。恰佩克的劇中人羅森是一位有爭議的科學家。他宣稱,「大自然只發現了一種合成生命體的方法,然而,還有一種更簡單靈活而且快速的方法,是自然界從未出現過的。」

劇中另一角色說,「想象羅森坐在試管前,思考他如何種出一整棵生命之樹。」

但在接下來的一百年,機器人卻是由鋼鐵和金屬絲,而非活體組織研發製造出來。美國塔夫茨大學(Tufts University)的發育生物學家道格拉斯·布萊克斯頓(Douglas Blackiston)說,「工程學比生物學發展得快。」不過現在生物學正迎頭趕上。布萊克斯頓是設計「異種機器人」的科學家團隊中的成員。他們設計的這種微型活體機器人是用一種青蛙——非洲爪蟾(Xenopus)的細胞組織精心合成,所以才取名為「xenobot」。

這第一批異種機器人在2020年初問世。這是由皮膚細胞構成的微小立方體,由兩條用心肌細胞合成的短腿推動。先由電腦算法設計出藍圖,再由研究人員人工合成,讓異種機器人可以自行行走。(一個令人高興的巧合是,非洲爪蟾的學名Xenopus意思即是「奇異的腳」。)這些有機機器人還可以協同工作,移動其周圍環境的粒子,而且與機械機器人不同的是,受傷後可以自我癒合。

如果活體機器人已夠奇怪的話,那麼下一代活體機器人更會讓人匪夷所思。

布萊克斯頓說,「要是我把你汽車的所有部件任意連接在一起,你一定會覺得結果很糟糕,但現在我們發現,生物學比這靈活很多,可以任意發揮。」布萊克斯頓團隊研發的異種機器人Xenobots 2.0是從青蛙胚胎中提取的幹細胞合成,可以不依賴算法自行發育。這些細胞開始獨立地發展出全新的身體結構,體表長滿可遊動的毛髮狀纖毛。這通常是在肺部發現的特徵,但活體機器人的纖毛更像是可快速擺動的肢體,讓異種機器人能在環境中游動,例如在一個環繞形狀的迷宮中游走,但不會越界。

由於實驗室的特殊條件,青蛙胚胎的幹細胞未能像身處自然界那樣發育成蝌蚪,而是發育成與其兩棲動物本身迥異的一種軀體。它們會自發地自我組裝,蛙式跳躍般地進行演化。

為了進一步提高這異種機器人的性能,布萊克斯頓及其團隊要求人工智能提出一個改進的設計。超級電腦經過演算的改進藍圖是類似視頻遊戲吃豆人(Pacman)形狀的異種機器人,其凹槽看起來像張開的大嘴。這個第三代版本異種機器人(Xenobots 3.0)更令人吃驚:竟然可以用它們的凹槽「大嘴」吃進數百個幹細胞,然後繁衍出新的異種機器人(如本文置頂的圖片所示)。換言之,這種異種機器人已演化出一種全新的繁殖方式,與已知自然界任何繁育方式都不一樣。

未來的幾代版本可以通過設計其生存環境來進行研發。布萊克斯頓說,「現在我們正在認識這個系統的輸入方式。我們現完全集中心思研究如何讓環境因素來幫助形塑機器人的自身設計,這些環境因素包括化學線索、粘性環境、壓縮之類等。」

他說,異種機器人是「一種不完美的有機體」。儘管異種機器人符合生命系統的大多數標凖,但其生育機制是一種「功能性的自我複製」,能組裝成外觀和行為一樣,但並不完全相等的新機器人。

不論如何,異種機器人的創造問世已可以視為整個地球生物界在人類壓力影響下作出創造性演化反應的一個縮影。地球萬物生靈自太初以來一直不斷與環境生態交互適應改變,正是這種相互作用推動了生命的演化。但是,現在卻因為人類以千變萬化的方式主宰著地球上幾乎所有的生態環境,從此一個新的因素加入了地球生命的演化公式,這個新因素即我們人類。

至少從大約三萬年前狗被馴化之時,人類已開始型塑其他動物的肢體。到今天農業的工業化生產、新物種的引進、以及城市化、環境污染和氣候變化等人為因素所造成的綜合作用,對地球物種正在造成前所未有的自然選擇壓力。我們人類已經成為影響全世界物種演化的最強大力量。

至少對於較大較複雜的生物,演化所需時間可能相當慢長。因此這使得許多動物無法迅速適應人類統治的地球,目前地球物種滅絶的速度比沒有人類干預的史前時代要快了1000倍。

但動物體內一種內在的基因組可塑性使個體動物能以最佳適應性的身體計劃和行為模式面對新的機遇和壓力,從而有可能使生物短時間發生快速演化。這個所謂的微觀演化可以在動物短短幾代的時間內發生。

也許最著名的例子就是英國的胡椒蛾。英國工業革命時胡椒蛾的顏色逐漸從白色變成了黑色,以適應大量煙囪冒出的黑色煤煙和被污染的空氣。利物浦大學的研究人員指出導致胡椒蛾顏色由白變黑是基因突變,並計算出發生時間可能在1819年。

胡椒蛾
胡椒蛾顏色的變化是已知人類環境污染觸發動物微觀演化其中最早一例(Credit: Science Photo Library)

1878年,一位蝴蝶標本收藏家首次觀察到胡椒蛾顏色的變化,並將他的發現告知了演化論的奠基人達爾文(Charles Darwin),但這位偉人似乎未加留意。後來有人提出這一發現可證明達爾文的自然選擇演化觀點,但其實胡椒蛾的「工業黑化」並非是自然選擇的演化例子,而是人類干涉造成的微觀演化。不過當時人類干涉才剛剛開始。

現今除南極洲以外,地球各大陸都能觀察到人類影響造成的動物特徵之變化。

今天在美國,用卡車從一個農場運送到另一個農場的工業蜂箱裏的工蜂,已比其野生的近親個頭大了三分之一,而行為也比野生近親溫順。在過去的100年裏,北美鳴禽改變了翅膀的形狀,以適應因森林砍伐而支離破碎的棲息地。在人類偷獵的壓力下,贊比亞大象生來就沒有象牙。甘蔗蟾蜍在1935年被引進到澳大利亞,初衷是為了消滅有害於甘蔗種植園裏的甲蟲。但在這一物種入侵後,澳洲黑蛇的嘴就變小,因為黑蛇後代學會避開吞食蟾蜍大小的獵物,以免中甘蔗蟾蜍的劇毒而亡,蟾蜍本身則開始獵食同類,作為成功捕食者自己反遭其害。

巴布亞新幾內亞的海蛇因生活在鋅污染的水域中,受毒素影響,蛇身變暗,蛻皮次數增加。有種蚊子已經演化到只能生活在倫敦地鐵的隧道裏,並失去了與其地面表親交配繁殖的能力。在紐約和芝加哥地鐵系統生活的蚊子中也觀察到了類似的基因多樣性下降現象。因氣候暖化歐洲大陸的黑頭鶯棲息地擴大,這種鳥類原飛往伊比利亞半島過冬,現改飛到緯度較高的英國。

不列顛哥倫比亞大學(University of British Columbia)的演化生物學家薩拉·奧托(Sarah Otto)說,「從來沒有任何一個物種如人類能如此迅速地改變了生物演化過程。達爾文如在人世,一定會震驚不已!」

奧托說,我們不一定都知道是什麼導致了這些特定的變化,不知道是出自於物種行為的可塑性還是某個亞種群演化開始,以及某個確定的亞種群於何處開始形成。但是,有足夠多的例子表明,這與基因變化有關,因此我們知道有更深層次的事情正在發生。

她說,「在野外生活避開城市的天鵝與親近人類的天鵝有基因差異。」她指出,遷徙到英國的黑頭鶯和仍然飛往伊比利亞的黑頭鶯之間的區別「很明顯是遺傳的」。她說,「黑頭鶯的幼鳥已有這種差異,」這樣的變化是新物種出現的第一步。奧托補充道,「生活在倫敦地鐵隧道的蚊子就是一個例子,我們可能正在此形成一個新的生態區域,並為一個物種形成創造新的機會。」

我問薩拉·奧托,我們人類是否因為干擾物種的生態從而正在減少物種演化的機率,比如現地球上的陸地有36%開發為農業之用,而且全球各地的城市環境越來越彼此相似。一項研究發現,現在人造材料的質量超過了地球生物量的總和。根據許多分析,由於人類活動,地球生物的多樣性正在大量減少。奧托同意這個看法。她說,「在某些方面,我們人類正在同質化地球。但另一方面,人類正在造成非常極端的環境變化。城市環境與我們的農業環境完全不同。」

黑頭鶯
氣候變化已改變了某些鳥類,如黑頭鶯的過冬路線(Credit: Science Photo Library)

高污染場地,如礦場的尾礦庫,代表著人類干涉自然的另一類極端情況。所有這一切都源出於我們人類。人類導致的物種加速演化無法抵消物種的滅絶危機,不過將因此產生一個由與我們人類共榮共存的動物和植物所定義的世界。奧托說,「演化是一個不可思議的創造過程,永不會停止,將繼續創造出能忍受我們人類的新物種。」

甚至微生物也受到同樣的人類壓力而演化,有的促成了革新,有的則抑制了革新。奧托說,農業肥料可以把細菌帶到新的土壤環境,就像原生於黑海和裏海的斑馬貽貝和其他侵入性生物通過船舶的壓艙水被帶到異地水域開始新生活一樣。根據微生物學家邁克爾·吉林斯(Michael Gillings)之說,大量被拋棄到大自然中的抗生素(豬牛羊每天排洩的糞便中就有多達五億份抗生素)類似於一個入侵物種,加速了微生物演化的基本速度。與此同時,哺乳動物王國的同質化意味著越來越多的微生物是由我們人類作為食肉或視為寵物的有限動物的腸道微生物所組成。

博物學家兼自然節目主持人吉莉安·伯克(Gillian Burke)花了一生的時間觀察世界各地的動物群落。我問她觀察到什麼樣的變化。她告訴我,「我會知無不言的告訴你。我在肯尼亞長大,記得年幼時那裏景貌流動自然,山山水水綿延相連。但現在從空中看下去,風景線已經變成了正方形和直線。」

是否可以這樣說,人類已經把我們的地球家園變成了一個物種演化示範的巨大實驗場?我如是問。伯克回答我說,「對於我,這樣的表述很重要,因為這說明我們正在進行這樣的實驗,但是我們人類也是被實驗的一部分。新冠病毒的大流行就是狠狠對我們敲響警鐘。人類成了驅動物種變異的選擇壓力,病毒傳播得越多,變異就越多。疫苗是一項新的對應創新,但隨後病毒就會說,『好吧,那我就改變主意,玩點其他花樣吧』。人類自己就在這場實驗中。」

伯克補充道,在防疫封城社交隔離期間,大多數人都會注意到動物行為的變化。生活在城市地區的鳴鳥已經學會用更響亮的叫聲來應對交通噪音和其他城市噪音。她說,「但第一次封城時,人們才首次真正體會到這一點。 大家說,『哦,太安靜了,現在我們都能聽到鳥叫聲』。但是要知,鳥兒們也是第一次聽到了彼此的鳴叫!」

據伯克說,動物的行為方式就是文化,而動物文化會因人類的壓力發生演化。她說,大象會一代又一代地傳遞知識和信息,比如大象的遷徙路線等。但因為人類的偷獵和人向衝突地區的擴大,以及氣候變化等,大象覓食和尋找水源變得更加困難,使得大象文化的傳承也發生改變。其他動物的文化也因人類因素在衰退。城市刺耳噪音意味著某些鳴禽無法跟隨父母學會正確的鳴唱。座頭鯨也是動物界的聲樂學習者,每個鯨群會共唱一首獨特的族群之歌,複雜的曲調會因與其他鯨群的接觸互動而生變。但是,人類航運造成的海洋噪音對座頭鯨唱歌影響最大,有的鯨群甚至變得沉默而不再發聲。

在人類的演化中,文化也發揮了作用。借助工具和科技,人類加速了自身的演化,如英國作家蓋亞·文斯(Gaia Vince)在她的著作《超越》(Transcendence)一書所解釋,科技讓人類可以不改變人類身體而獲得新的能力,共享的文化讓我們能夠接觸到集體的思想,獲得大量的信息和洞見。

人類的文化創新很多是借鑒於動物,或是試圖複製動物的能力。早期人類的石器是模仿捕食動物的鋒利牙齒。人類最早的技術是利用生物活體組織,如獸皮和和植物繩索。人類社會因借鑒和學習動物得以發展。但頗為諷刺的是,現在如此多的物種被迫適應人類主宰的地球生活,而我們人類生活的世界卻越來越多地模仿其他生物的身體和行為。有關人類模仿生物的科學稱為仿生學。

地鐵
在地鐵環境中發現的基因突變蚊子有可能最終會演化成一種新的物種(Credit: Tolga Akmen/AFP/Getty Images)

使「仿生學」這個術語流行開來的生物學家珍妮·本尤斯(Janine Benyus)說,「人類身邊到處都是動物天才。仿生學是一門向這些天才學習的新學科。」白蟻冬暖夏涼的蟻巢啟發人類設計了效能更高的空調。世界上車速最高的一種火車日本新幹線列車是模仿翠鳥喙的外形,讓火車能達到每小時299公里的高速。人類利用仿生技術製造出仿效蚊子喙的精細外科手術用針,仿啄木鳥頭骨吸震性的飛行記錄儀(飛機黑盒),仿海獺皮的優質潛水服,以及模仿蝴蝶翅膀彩虹色而使偽造難以得逞的鈔票。

動物的聰明才智也為人類解決一些最緊迫的環境問題提供了新思路。從模仿座頭鯨鰭或蜂鳥翅膀的凹凸不平表面的風力渦輪機葉片,到學習向日葵一樣逐日轉向的太陽能電池板,仿生技術可以幫助人類生產可再生能源。替代混凝土的建材可能會模仿珊瑚從海水中吸收礦物質建造自身結構的方式,從海水中「種出」未來的城市,同時可將多餘的碳封鎖在建築物的地基和牆身中。學習牡蠣等自然濾食性動物可以幫助人類恢復枯竭的海洋棲息地。

甚至微生物也能在人類仿生學中充當一角色。一種稱為大阪堺菌(Ideonella sakaiensis)的細菌,已經演化到可以分解消化塑料聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。而一種在土壤中常見的微生物扭脫甲基桿菌(Methylorubrum extorquens),會產生一種可以聚合核廢料中最危險半衰期也最長的兩種元素鎇和鋦的蛋白質。

異種機器人也可以對地球產生積極的影響。robot一詞源於捷克語robota,意為強迫勞動。未來的異種機器人可能會被人類派去清理垃圾。生物機器人可以清除海洋中的微塑料或土壤中的污染物。攜帶一種特殊蛋白質的異種機器人,在某些特定波長的光波下發綠光,但其他波長下則發紅光,幾個小時後異種機器人就會「記住」在不同波段下的色彩反應。

布萊克斯頓說,「你可以設計異種機器人感知特定的化學物質,如同一個軟件程式對其下令『只要感覺到有毒物質,就遊過去,釋放一種能中和毒素的化學物質』。」其同樣特性也可以應用於醫療領域,比如讓異種機器人進行非侵入性治療或尋找病因。

以目前的形式,一旦儲存在細胞中的食物耗盡,異種機器人就會死亡。希望它們能自我演化出從身邊環境獲取能源的機能還很渺茫。布萊克斯頓說,「作醫學皮膚活體檢查時,放在水中的皮膚細胞是無法存活的,需要一個嚴格受控的細胞培養環境。同樣,自然界中的青蛙經常會失去皮膚細胞,而這些皮膚細胞自身無法繁殖,也無法演化出獲取能量的能力。」

不過布萊克斯頓預料未來的生命演化會出現一些令人驚訝的轉折。他說,「因為人類在生物工程、幹細胞生物學和計算生物學方面有很大成就,我們會看到人類和電腦將增大步伐朝著設計生命系統的方向發展。」但他也指出,科學家的研究必須公開,這是至關重要的,「我希望能看到倫理學家、律師和社區成員更多地參與到研究的設計中,而不僅僅是在技術走出實驗室進入世界後才出來放馬後炮。」

新一代的異種機器人展現出來的生命可塑性相當神奇,不可思議。但其前景也提醒我們,為適應一個由我們人類主宰的世界,萬千動物是如何頻繁地被迫調整改變自己的身體以存活下來。地球上究竟有多少物種能夠適應今天因人類干涉而瞬息萬變的世界?要回答這個問題,還有待觀察。不過可以肯定的是,人類在整個地球對生物適應性的意外干涉實驗還在加速中,動物的生存智慧正受到前所未有的考驗。

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