购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

第3章
晚餐

一天下午,在塔斯卡卢萨(Tuscaloosa),我见到了海迪——一条雌性蟒蛇。3岁的海迪已经超过6英尺长,粗壮的身体比健美运动员的二头肌还要壮硕。它盘卧在一个玻璃纤维箱里,箱顶灯光照射下的鳞片犹如镶上深色钻石的手臂套筒,熠熠发光。

就在我深陷于海迪的魅力之中时,它的主人大卫·纳尔逊(David Nelson)扔给了它一只活老鼠。这只啮齿动物缩在箱子的角落里,一动不动。但起初,海迪似乎对它并没什么兴趣,转而凝视着纳尔逊。海迪已经两周没吃东西了,所以也许它是想看看今天的菜单上究竟有多少只老鼠。

纳尔逊接着去照料其他蛇了。过了一会儿,海迪懒洋洋地转向了它的客人。它吐着分叉的舌头,突然向它的啮齿动物客人猛冲过去,原本懒洋洋的身体瞬间化作了一枚导弹。

海迪的上颚上长着一对长而弯曲的牙齿。当它的头触及老鼠的身体时,这对尖牙会插进猎物的身体。它盘起自己的身体,将老鼠裹了两圈。在海迪盘绕着的身体的上方,是粉色的小腿和一条翘在空中,没有毛的尾巴。透过盘绕的身体缝隙,可以看到老鼠白色的腹部仍有起伏,它还在呼吸。

这一幕或许会让人觉得海迪是要让这只老鼠窒息而死,但科学家们对此持怀疑态度,他们认为蟒蛇其实并不是通过这种方式杀死猎物的。它们的猎物死得太快了。科学家们猜测,蛇可能是将猎物身体中额外的血液推向它们的大脑,从而终结它们的生命的。它们的猎物经历的不是黑视(blackout),而是红视(red-out)。 海迪的老鼠客人不到一分钟就静止不动了。

海迪松开盘绕的身体,慢慢爬走了,似乎已经忘了一度夹在它身体中间的那只死去的动物。过了一会,它又懒洋洋地爬了回来。它直接面朝这只死去的老鼠,再次张开了嘴。这一次,它用嘴巴两侧较小的牙齿咬住了老鼠的头。但与其说是它吞下了这只老鼠,倒不如说它自己的头像棘轮一样在沿着老鼠的身体一点一点地移动。它嘴里的腺体会分泌出唾液,让老鼠的身体变得润滑,这样它的下颌能更容易地滑过老鼠的肩膀和前腿。与此同时,它的下颌向两边伸展,进一步拓宽了食物进入的通道。海迪左右扭动着身体,将老鼠推入它的食道。就这么扭曲了几分钟后,它弓起身子,再次抬头向箱子的玻璃门望去。海迪为它的人类观众提供了与这只老鼠告别的机会,老鼠的后腿和尾巴逐渐从我的视野中消失了。

——

除了那些患有科塔尔综合征的人外,我们都很清楚自己还活着。我们的大脑也能感受和处理社交性的信息,这让我们拥有一种直觉,能够对我们人类同胞的生命做出迅速判断。对我们来说,识别其他物种的生命的难度更大,因为我们无法与它们交谈,也无法解读它们脸上闪现的笑容。但从婴儿期开始,我们就在利用思维捷径感知其他生命,比如,识别其他生命体内部产生的活动。孩子们在很小的时候就认识到,动物和人类一样,也是有生命的,但他们需要更长的时间才能知道植物也有生命。这种直觉并不会在孩子们成长的过程中消失,但会被他们发展出的语言能力所掩盖。如果被问为什么蛇或者蕨类植物是有生命的,孩子们往往会提及生命的某项特征——所有生命体似乎都拥有的东西。换句话说,孩子是未长大的生物学家,而生物学家则是一群大孩子。

我之所以会遇到海迪,是因为我当时踏上了一系列的寻访之旅,拜访那些探索生命特征的大孩子。然而,当被问及生命有哪些特征时,这些生物学家往往会给出不同的答案。但有几项特征一直被反复提及:新陈代谢、信息收集、体内稳态、生殖以及演化。每项特征在不同物种中呈现出的形式可能极其丰富多样,但即便是在最极端的差异下,也有一定的统一性。

比如,我不能像海迪那样把一只老鼠整个吞下去,但我确实得吃东西才能活下去。蜂鸟要吸花蜜,长颈鹿必须得吃树梢上的嫩枝绿叶。红杉不吃其他生物,但某种程度上也要“吃”一些东西,哪怕只是空气和阳光。

这些食物随后会转化为功和身上的肉。海迪将它享用的啮齿动物大餐大部分都变成了肌肉、内脏、大脑和骨骼。红杉则把自己的食物变成了木头和树皮。这种转化被称为新陈代谢,源自希腊语Metabolē,意思是“改变”。

我和海迪的引见人是这个世界上最了解蟒蛇新陈代谢的人——亚拉巴马大学的生物学家斯蒂芬·塞科(Stephen Secor)。我和塞科在他的实验室碰面,然后从校园驱车前往小镇东边,途经锡安希望浸礼会教堂和月亮温克斯小屋,最后到达我们今天的目的地——大卫·纳尔逊与妻子安珀的家。塞科开着他的丰田RAV4驶入纳尔逊家的车道时,纳尔逊正拖着一个蓝色的冷藏箱,朝改建的地下室走去。纳尔逊身型高大,有些秃顶,绿色T恤袖子里露出一片条纹文身。冷藏箱里装的是死老鼠,满满一箱。

我和塞科跟着纳尔逊进入地下室。地下室的混凝土地面上铺着黑色的海绵块。房间一侧的墙上挂着“美国海军陆战队”“托尼·斯图尔特粉丝专属”等标识,标识前面的空地上放了一些举重器材,这些东西占了地下室一半的空间。而另一半空间里则堆满了玻璃纤维箱,这些箱子看上去就像侧翻的冰箱。每个箱子正面都有一扇玻璃门,透过这扇门,我看到了一条巨大的蛇。

纳尔逊和塞科开始把蛇从箱子里拿出来,让它们在手臂和脖子上爬行。“我的小宝贝儿怎么样了?”塞科看着这条叫蒙蒂的蟒问,“蒙蒂是条好蛇,对不对?”

“哦,是的。”纳尔逊温柔地说,听语气就好像是在说楼上他那只小博美犬。然而,对这些蛇,纳尔逊从未放松过警惕。他一直掌握着它们的动向,在他让这些蛇吐着舌头,舌头掠过他的眉毛时,他也是有把握的。“如果你放任它们,任何意外都可能要了你的命。”不知道是什么原因,纳尔逊说这番话时显得有几分开心。

塞科比纳尔逊矮几英寸,但仍然可以驾驭强壮的动物。他自小就在马场工作,原本以为自己会成为一名兽医。在大学里,他要承担的一项工作是帮助接受治疗的马匹从手术中恢复过来。

马有个不太好的习惯,会在麻醉剂还没完全失效时重新跃起,常常跌跌撞撞,然后摔断腿。塞科必须在它们能够站起来之前阻止它们跃起。他会用双腿夹住马的脖子,用胳膊压住马的头。刚开始时,麻醉剂的效果仍然比较强,马会因为头晕目眩无法反抗他的控制。之后,等它们有了足够的力量,就可以甩开他了。

“它们能把我甩开的时候,就有足够的力量站起来了。”塞科向我解释说。正是在那些与马角力的日子里,塞科改变了职业规划,决定放弃成为一名兽医,转而进了研究生院,研究蛇。

纳尔逊平日里在当地一家汽车零部件厂工作,担任产品经理。工作之余,他的身份则是一名养蛇人。纳尔逊自小就在亚拉巴马州的树林里抓蛇玩,后来有了自己的房子,他就开始在室内养蛇。他学会了如何给蟒蛇洗澡。他还掌握了一种可以快速杀死老鼠但又不会让它们遭受痛苦的方法:把醋和小苏打混合在一起,然后把产生的大量二氧化碳注入冷藏箱中。他还学会了如何给一条正在蜕皮的蛇擦洗身体,让蛇皮能光滑完整地脱落下来。除了照顾蛇,他还在图片类社交媒体Instagram上发布这些蟒和巨蚺的照片,把它们带到教会开办的圣经学校,教导孩子们不要讨厌蛇。“这就是我晚上要做的事情。”他一边说一边环视着他那蜿蜒盘旋的王国。

安珀来到地下室,看纳尔逊给蛇喂食。她有一头浅金色的头发,戴着一对镶着水钻的耳环。她告诉我,最开始时,她很不情愿做养蛇人的妻子。但有一次,纳尔逊的一条蛇生病了,她就转变了态度。身为护士的安珀帮助丈夫照护这条生病的蛇,让蛇的鼻孔保持通畅,使它能够呼吸。随着这条蛇逐渐恢复健康,当安珀在客厅里看电视时,它会心满意足地盘在她的大腿上。“我想,这可能激发出了母爱模式。”她说。

通过一位朋友的介绍,塞科结识了纳尔逊。当时,塞科养的一些蛇由于长得太大,无法再用于研究了,所以他希望能给这些蛇找到一个好的归宿。于是,纳尔逊在他的地下室里又安装了一堆新箱子,安珀则把塞科取的那些AL1、AQ6之类没有人情味的代号换成了海迪和萨姆森这样的新名字。

安珀对塞科所有的蛇都喜爱有加,只有一条除外。她给这条蛇取名路西法(Lucifer)。“你应该听过这个名字,知道它的渊源。”她说。

在塞科和纳尔逊让蛇绕着他们的脖子爬行时,他们也对每条蛇的个性做了评价。蒙蒂和其他小伙伴相处得很好。有些蛇最喜欢待在黑暗的角落里。还有些蛇已经知道如何滑开箱子的门了,喜欢爬到吊扇上。德莉拉是一条白化的雌蟒,已经有几个月没进食了。纳尔逊说:“它每年有几段时间都会处于这个状态,之后它会猛烈攻击它的食物。”

纳尔逊又重新开始干活了,忙着喂他的蛇。今天的食物是老鼠,而在有些日子里则是兔子。“如果是兔子,时间安排上就更轻松了,”纳尔逊说,“给它们一只兔子,我的活儿就完成了。”有时,他会想办法弄到断奶的小猪仔,喂给他最大的蛇吃。在野外,蟒蛇可以轻松吃掉相当于其一半体重的猎物。据记载,它们曾吞下过整只鹿和短吻鳄。

鹿和短吻鳄等食物会被蟒蛇用来制造燃料。它们制造的燃料和我们人制造的是一样的,为安第斯山脉山顶上生长的地衣和太平洋海底爬行的螃蟹提供动力的也是同样的燃料。这种燃料含碳、氢、氧、氮、磷元素,被称为ATP(三磷酸腺苷)。蛇和其他动物会利用食物中的糖和吸入的氧气在细胞内制造ATP。植物则利用光合作用来制造糖,然后再用糖来制造ATP。一些在阳光充足的海面上随海水漂浮的细菌会利用阳光来制造ATP,而在地下深处,其他一些种类的细菌则利用储存在铁原子中的能量来制造ATP。

一旦生命体积累了足够的ATP,它们就可以将其用作燃料,通过使其化学键断裂,释放出其中的能量。海迪绕着它的箱子爬行时就用到了这种能量,为肌纤维的收缩提供动力。海迪通过分解ATP分子来驱动它的每一次心跳。它的肾脏也需要ATP才能将血液中的毒素排出。而它最大的一笔燃料开支则是用在了保持细胞完好无损上,这项工作需要消耗大量的ATP。

细胞需要储备大量的钾离子以便随时取用,这是细胞进行许多必要反应所必需的。但由于细胞内积累了太多钾离子,所以会有一股强大的力量试图把这些离子“推”出细胞,使它们待在细胞的周围。然而,如果细胞一味地纵容自己的钾离子流失,细胞就会死亡。细胞使用了镶嵌在细胞表面的分子泵来解决这个问题。每个分子泵由3个彼此锁定的蛋白构成,细胞就用这种分子泵把更多的钾离子转移进细胞内。就像排水泵需要连接发电机一样,分子泵也需要ATP来提供动力。分子泵每转移进两个钾离子,就会消耗一个ATP分子。这些分子泵必须昼夜不停地运转,所以这一过程无疑需要消耗大量的ATP。

海迪的钾泵与其他生物的钾泵一样,仅能使用几天,然后就开始出现磨损。在这些钾泵出现缺陷后,海迪的细胞就必须将其拆解掉,并制造出新的钾泵来取代它们,这项任务需要消耗更多的ATP。

建造新钾泵的指令就编码并保存在海迪的DNA中。这种分子有个很恰当的名字——脱氧核糖核酸。它由两条盘绕在一起的长链组成,就像一个拥有数十亿级台阶的微型螺旋楼梯。蟒蛇的DNA中有14亿级这样的“台阶”,而我们人类有超过30亿。(如果就此得出结论,认为我们在基因上比蟒蛇优越,那么请注意,洋葱有160亿级这样的“台阶”。)每级“台阶”都由两部分构成,这两部分分别从两条长链上延伸出来,被称为碱基。碱基有四种,对应于A、C、G、T四个字母,分别是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。建造新分子的指令就是用碱基字母的序列拼写的。

钾泵的3个蛋白由它们各自的DNA片段编码,也就是说,这些蛋白都由各自的基因进行编码。为了制造新的钾通道,蛇的细胞会将某些酶和分子移动到钾通道基因的起始处,然后一次读取一个碱基,产生一条较短的单链核酸——mRNA。细胞中漂移的“蛋白质合成工厂”很快就会结合到这种分子上,读取它的碱基,制造出相应的蛋白质。在制造钾通道的每个阶段,细胞都要消耗很多ATP。

海迪不断制造出新的蛋白来取代旧的蛋白。不仅如此,它的身体也在不断生长。与3年前孵化出来时相比,海迪现在的体型已经是那时的3倍了,而且只要它每隔几周能吃到一次东西,它一生都会不断生长。这个过程无疑需要消耗更多的燃料。仅仅是制造一个新的DNA拷贝,一个细胞就要分解掉数十亿个ATP分子。

即使是为了获取燃料,海迪也必须要燃烧燃料。向老鼠猛扑过去,让它们窒息而死会消耗它的ATP。它还需要更多的ATP来制造消化酶,而这些酶自己也需要ATP才能将老鼠身上的分子分解掉。所有生命体都面临这样的困境:它们要以新陈代谢为代价才能继续进行新陈代谢。但像海迪这样的蛇所面临的困境是其中最极端的一种情况。蟒、蚺、响尾蛇以及许多其他种类的蛇一直都过着饥肠辘辘,偶尔饱餐一顿的生活。它们会连续几周不进食,在捕获猎物后将其整个吞下去,然后在接下来的几天里尽可能多地从猎物身上获取ATP。

20世纪90年代初,斯蒂芬·塞科对这种生命体施展的魔法产生了极大的兴趣。当时,科学家们对蛇如何消化它们的猎物知之甚少,甚至都没有人测量过蛇在这个过程中消耗了多少能量。塞科决定破解这个谜团,他在莫哈韦沙漠抓到的角响尾蛇成了他的第一种研究对象。他把这些抓到的角响尾蛇带到了加州大学洛杉矶分校,他当时在该校做博士后研究。塞科给这些蛇喂老鼠吃,然后把它们都放进一个箱子里。

塞科利用这个特殊设计的箱子来测量蛇的新陈代谢率,也就是测量它们每小时会消耗多少能量。这种测量方法的原理基于一个事实:蛇每消耗掉一些ATP,就需要制造出同样多的ATP。而制造ATP需要氧气。每当塞科箱子里的蛇吸入一口气,它周围空气的含氧量就会下降。塞科不时地打开箱子侧面的旋塞,插入注射器,抽出一些空气。使用注射器中空气的含氧量,就能计算出箱子里的蛇在此期间消耗了多少ATP。

塞科告诉我:“两天里,我得到了一些数据,但这些数据完全说不通。”

在我们吃完饭消化食物的过程中,我们的新陈代谢率会攀升至50%。大多数其他哺乳动物也差不多是这样。但塞科的响尾蛇的新陈代谢率跃升了大约7倍。这一结果打破了动物消化过程中新陈代谢率保持了很久的记录。然而,当他把响尾蛇换成蟒蛇时,这一刚刚创下的记录又迅速被打破了。当他给蟒蛇喂食的老鼠的总重量达到蟒蛇自身体重的四分之一时,它的新陈代谢率上升了10倍。塞科继续给他的蟒蛇喂老鼠,直到它们吃下的老鼠的总重量达到其自身的体重。这时,它们的新陈代谢率飙升了45倍。相比之下,当一匹马从静止状态转为全速奔跑时,它的新陈代谢大约会增加35倍。但马不可能一直全速奔跑,疾驰一段时间之后它就会精疲力竭。而当一条蟒蛇消化一餐吃下的食物时,它可以像一匹赛马一样,在长达两周的时间里一直燃烧燃料。

现在,摆在塞科面前的是一个更大的谜团:这些蛇能够如此显著地加速自己的新陈代谢,它们是怎么做到的?它们到底在用这些能量做什么?谜底要从胃开始揭晓,因为胃会制造胃酸(盐酸),从而开始分解食物。由于我们人已经养成了规律饮食的习惯,所以我们的胃每天都会分泌几次胃酸。但处于禁食状态的蟒蛇根本不会分泌胃酸。蟒蛇胃里的液体这时是中性的,就像水一样。在我见到海迪的那天,就在它刚吞下它的第一只老鼠后不久,它的胃立刻就收到了信号,开始分泌大量新鲜的酸液。当老鼠的头到达它的食道末端时,它的胃已经准备好开始溶解食物了。

分泌大量酸液只是海迪在吞下老鼠后经历的诸多变化之一。它全身的器官也开始生长,以便应对这顿大餐带来的冲击。塞科发现,蟒蛇的小肠在一夜之间质量翻了一番,其细胞上指状突起的长度延长了6倍。当被消化掉一部分的老鼠到达肠道时,它们已经准备好吸收葡萄糖、氨基酸和其他营养物质,并将这些营养物质输送到血液中了。肝脏和肾脏也会提前为自己的工作做好准备,在开始储存营养物质和排出废物之前,它们的重量也会增加一倍。心脏增长了40%,以便将多余的糖和其他营养物质送至身体各处。

这些发现无疑让塞科更加困惑了。对于蛇是如何让自己的身体发生如此剧烈的变化的,塞科无法给出一个好的答案。从基本的解剖学和生物化学的角度来看,蛇与其他脊椎动物没什么不同。它们的肝脏、胃和心脏的运作方式与我们人类非常相似。它们与我们拥有许多相同类型的细胞,都有神经元,都有杀死病原体的免疫细胞。它们的许多基因与我们的基因也几乎一样,这些基因编码同样的激素、神经递质和酶。塞科猜测,蛇之所以能够让自己发生如此剧烈的变化,不是因为它们拥有不寻常的基因,而是因为它们以不寻常的方式使用了自己的基因。它们的基因乐团和我们的基因乐团使用的乐器是一样的,但它们读的是另外一份乐谱。

当细胞必须执行某项任务时——无论是对抗病毒还是分泌骨基质——它们就开始读取某些基因,并根据这些基因的序列来制造蛋白质。其中一些基因编码的蛋白起到了主开关的作用:它们结合到其他一些基因上,将其打开。这些基因中的某一些又编码了更多的主开关。一个这样的调节蛋白最终可能会触发数百个基因,这些基因会制造出很多种类的蛋白,共同执行一些复杂的任务。塞科提出了一种假说,认为蛇是以一种特殊的方式使用它们的调节蛋白的。要验证这一假说,他必须追踪蛇的基因的活性。在21世纪头几年,当塞科开始四处寻求帮助时,遗传学家们告诉他,他是在做傻事。

“我问他们:‘要研究这个问题该怎么做?’”塞科回忆说,“他们会说:‘你做不到。这非常耗时,需要花很多很多年,你必须得把它们一个一个地提取出来研究,还要搞清楚它们具体是哪一个基因。’”

2010年,塞科终于找到了一个没给他泼冷水的人:遗传学家托德·卡斯托(Todd Castoe)。当时,卡斯托正在科罗拉多大学医学院对爬行动物的一小段DNA进行测序。塞科和卡斯托合作组建了一支研究团队,对缅甸蟒的整个基因组进行了测序。完成这项工作后,他们就有了指导整个研究项目的“目录”和“地图”。现在,他们可以在蟒蛇为了消化食物而“变身”时追踪其基因活性了。

卡斯托和塞科开始从蟒蛇身上采集肌肉等组织的样本,“钓”出细胞正在制造的mRNA。使用这个“目录”,他们找到了蟒蛇基因组中与这些mRNA相对应的基因。塞科和他的学生们比较了蛇在进食前后的基因活性,寻找它们进行新陈代谢引起的变化。这些研究人员预计,可能会有二三十个基因被激活。但实际上,蛇的身体所发生的变化远远超出了研究人员的预期。

这些科学家发现,在吞下一只老鼠后的12小时里,蟒蛇开启了全身器官中的数千个基因。许多基因都是一些在演化上非常古老的信号通路的一员。这些信号通路并非蟒蛇所特有,也存在于其他许多动物物种中。在蛇进食后活跃起来的这些信号通路中,有一些被许多其他动物用来让自己长身体,有一些被用来应对应激反应,还有一些则被用来制造能够修复受损DNA所需的蛋白质。

生长的信号通路基因会让蛇的器官增大,为代谢一餐吃下的大量食物做准备,但在几个小时内制造数十亿个新细胞也可能会对蛇造成伤害。它们的细胞生长得太快,所以也会产生一些形态异常的蛋白,从而产生应激压力。在细胞内四处移动的带电蛋白分子可能会损害细胞的DNA。蛇必须修复这种损伤,这项任务又进一步增加了消化的代谢成本。

海迪会在接下来的一两个星期里消化今天这一餐。总的来说,仅为消化这只老鼠,海迪就要消耗掉老鼠体内约三分之一的能量。短时间内燃烧大量的燃料会让海迪的体温升高。用红外夜视仪观察,这时的海迪看上去就像是活老鼠一样的温血动物。但这并不是在浪费能量,因为它的新陈代谢之火仍然把老鼠三分之二的能量留给了自己。它涌动的血液中含有大量脂肪酸,浓度高到足以致人死亡的程度。它全身的细胞会吸收它从猎物身上获取的钙、氨基酸和糖。它会长出更多肌肉,让骨骼生长,储存新的脂肪。

在大卫·纳尔逊投喂另一只老鼠之前,为了活下去,海迪会复原它为消化食物而迅速制造出的所有肉质设备,也就是那些增大的器官。它借用的那些奇怪的基因网络将会关闭。它的器官也会缩回原来的大小。它肠道里的细胞会收回它们的“触手”。在海迪进入另一个漫长的禁食期时,它会把老鼠剩下的所有东西都排泄出来——仅仅是一团毛发。这种极端的周期循环中蕴含着一个简单的逻辑,但从我们自身的经验来看,这样的逻辑是难以想象的,甚至对接受过系统科学训练的科学家来说也显得很奇怪。塞科有时会将处于禁食期的蛇的肠道照片拿给病理学家看。塞科会指着肠道中收缩的“手指”询问他们的看法,想知道他们是怎么看待这条蛇此刻正在发生的变化的。

“你的动物病了。它们快死了。寄生虫正在侵害它们的肠道。”他们会说。

“不,它们很健康。”塞科会坚持说。

塞科会告诉这些病理学家,他和同事只是在研究一种很与众不同的新陈代谢,但这样的解释显然无法说服他们。“他们只是摇了摇头,就把我打发走了。”塞科说。

就在我和塞科准备告辞时,海迪已经静止不动了,就像一根用生物原料制成的绳索,松散地盘绕在一起,闪闪发亮。我几乎看不出海迪吞下的老鼠这时在什么地方,它的身体上并没有明显的凸起,但此刻,那些老鼠只能接受自己会被消化殆尽的命运。很难想象它在新陈代谢上堪比一匹赛马。几天后,当海迪吸收完它们的营养物质后,它的新陈代谢率又会下降。它仍然需要燃烧一些燃料来维持心跳,用泵将带电离子送进和送出细胞,这样它才能长得更长一点。它的基础代谢率永远不会降到零,但会非常接近于零。 BMX4ekvO+EAZ1+LTzEMkDws/l7l0NOdmc4tFA3kaNmiFLzhZdMeO7AqY4gEDymBf



第4章
黏菌数学家

苏巴什·雷(Subash Ray)拉开抽屉,拿出一张污迹斑斑的纸。看上去就好像是他把咖啡洒在了一张便利贴上,然后把它扔进了抽屉——而不是垃圾桶——几天没管它。现在,雷要对它施展魔法了。

“我们将把它送进生命之春。”他说。

雷长着一张圆脸,戴着方框眼镜。他穿着牛仔裤,搭配了一件带有一只小小黑鹰标志的马球衫。他讲话轻声细语,有时我甚至听不太清他的解释,不得不让他再说一遍他在做什么。拜访雷和他的同事就是我此次纽瓦克之行的目的,雷在位于纽瓦克市的新泽西理工学院攻读博士学位,研究这些污点以及它们会变成什么。

雷伸手从高高的架子上取下一罐干燥的藻类提取物——琼脂。他把这罐琼脂放在实验室的椅子上,就像在超市里购物一样,这把椅子就是他的购物车。他把那张污迹斑斑的纸也放在了椅子上,但为了能妥善保存,雷已经把这张纸放进了一个透明的玻璃杯中。他还找了两个烧杯和一个家用搅拌器。

椅子装得满满当当,雷把它推到实验室的另一个房间里。我和雷的导师西蒙·加尼耶(Simon Garnier)一起跟在他后面。这位留着红胡子的生物学家是法国人,穿着连帽衫,平时喜欢打欧洲手球——“就像陆地上的水球”,他徒劳地向我这个困惑的美国人解释说。

雷走到一个水槽前,给一个电热水壶加满水,打开开关。他把烧杯放在实验台上,等水烧热后倒进去,加满。在他搅拌琼脂时,他的搅拌器不断地碰到烧杯壁,叮当作响。搅拌好之后,他把混合物倒入了一个空的培养皿中。

等到琼脂冷却,凝固成一层牢固的黏性物质后,雷拿起一把镊子,从玻璃杯中取出那张污迹斑斑的纸,将它放入培养皿中的琼脂上,用镊子压实,然后在上面喷了点水。

雷随后把水槽旁的那把椅子移到了一个没有窗户的房间里,房间里非常闷热而且很潮湿——这是许多生命体都喜欢的生长环境。房间靠墙的位置摆着几张桌子,上面有几个很大的白色箱子。雷转动一个箱子上的旋钮,向上打开了它的门。我看到箱子里有两条并列的金属轨道,轨道上安装了三台配有闪光灯的相机,镜头朝下。雷把装有那张纸和黏性物质的培养皿放在了其中一台相机的下方。

加尼耶坐在一台笔记本电脑前,开始输入命令。过了一会儿,箱子里泛起了一片白光。接着,相机的闪光灯闪了一下。当箱子再次暗下来时,我们离开了房间。房间里的相机会继续执行加尼耶输入的命令,每隔5分钟为培养皿拍一张新照片。

那天晚上,加尼耶带我和他的几位生物学家同事一起出去吃晚饭。我们沿着雷蒙德大道往前走,街上随处可见一种生命——人,以及他们的建造物,建造物的种类多种多样:小美甲店和大型仓库,空荡荡的待出租装饰艺术风格建筑,还有挤满了等车乘客的公交车站。我们来到当地一家精品小餐厅,围坐在一张木桌旁,在嘈杂喧闹声中大声讨论着生命体这个话题。当时在场的所有生物学家的研究工作都是基于这一主题展开的。他们谈到了只有逗号大小的线虫的神经系统,还谈到了斑马鱼透明的身体。与此同时,加尼耶实验室里的相机整个晚上每隔5分钟就会闪一次光。

第二天一早,我又来到了位于中央国王大楼的实验室。我们再次进入闷热潮湿的照相室,观察镜头下的培养皿。污迹消失了,取而代之的是一个银币大小、柠檬色的斑点。斑点的“触手”已经伸到了纸的边缘,爬满了整个培养皿。看到这样的变化,加尼耶笑了。

“嗯,它们还活着,”他说,“它们没怎么动,但还活着。”

在仔细观察这个小点时,我发现它本身其实就是一团小小的“触手”,从培养皿的中心向外伸展时,这些“触手”一次又一次地分叉。就在我低头看着这堆“触手”时,它们依旧在分叉,但分叉的速度很慢,而我的观察时间又很短,所以我根本察觉不到。

雷施展魔法,赋予生机的生物叫多头绒泡菌( Physarum Polycephalum ),又被称为多头黏菌(multiheaded slime mold)。在纽瓦克的大街上是找不到黏菌的,但在城外几英里处的森林保护区里——鹰岩自然保护区和大沼泽国家野生动物保护区——可以寻觅到它们的身影。在温度适宜的潮湿夏日,你可以在保护区内腐烂的树木上,或者蘑菇的伞盖上,发现它们织就的金丝网。在地球上任何一片有森林生长的地方,你几乎都可以找到黏菌——绒泡菌或者数百种黏菌中的其他某一种。它们奇特的外表激发了人们的直观感受,一些黏菌获得了诸如“狼奶”“狗的呕吐物”这样直白的名字。

经过一个夏天的生长,绒泡菌开始产生孢子,为越冬做准备。除孢子外,黏菌的其他部分在冬天会变成无生命的黑色空壳,只有孢子能够在寒冷的环境中生存,等春天来到,它们又会开始生长。但如果这一循环被灾难打破——比如发生干旱或者树木倒塌使森林的地面暴露在强烈的阳光下,绒泡菌就会采取紧急措施。它的整个身体会完全脱水,变成一种毫无生气的易碎形态,称为菌核。菌核脱落成小碎片,随风飘扬。如果其中一块小碎片落在了潮湿的土地上,它就会复活。黏菌研究人员只需在一张滤纸上放一小块活的绒泡菌,然后让它完全变干,就可以得到菌核。他们可以将菌核储存几周甚至几个月。一旦他们把菌核放入装有琼脂的培养皿中,他们就可以让黏菌再次焕发活力,迎来生命的春天。

相机的闪光灯划破夜的黑暗,以雷的黏菌为主角,拍摄了一部定格电影。为了让人们了解这个过程,这部电影以倍速展示了污迹如何变成金色,然后不断膨胀,离开纸的边缘,在琼脂上散布开来。当天晚些时候,纸的背面也出现了黏菌不断伸展的“触手”。现在,黏菌爬满了整个培养皿。

它的运动不是重力作用于被动物质的结果。黏菌并不是像水滴一样扩散开来的。它正在展示的是生命的一项特征:它正在使用自己储存的燃料、自己的蛋白质、自己的基因中编码的逻辑——所有生命体中都有的组合,来决定下一步要做什么。它有专门的决策中心。它在狩猎。

与加尼耶一起工作的研究生和博士后团队是一支兼收并蓄的队伍。有些成员到纳米比亚给狒狒戴上项圈,追踪它们的行动,记录它们的叫声。他们正在研究狒狒是如何通过交换彼此的位置信息来维系群体联系的。还有一名学生在巴拿马研究行军蚁,想弄清楚数以百万计的行军蚁如何利用它们的身体建造出一个活的巢穴,其中还包括为它们的女王打造的房间。说到决策,人们一般会想到人类的大脑。人类的大脑丰满、复杂,还可以用文字来表述对未来的看法。我们人类的大脑比蚂蚁的脑大几万倍,而蚂蚁可以用它们自己的身体共同建造一座房子。压根就没有大脑的黏菌更是提炼出了生命决策的精髓。“我真正喜欢的是,它回到了智力的起源。”加尼耶告诉我。

在森林里,黏菌搜寻的目标是细菌和真菌的孢子。它将“触手”伸向原木和土壤,直到找到猎物。当黏菌爬过猎物的身体时,它会分泌出一种能够切割细胞的酶,然后将切割的细胞碎片“一饮而尽”。“这是一个移动的胃。”加尼耶说。

当雷为了向我展示而让他的黏菌复活时,它开始寻找食物,但雷并没有给它提供食物让它寻找。为了让我看看黏菌是怎么发现它的下一顿饭的,雷做了一个新实验。他把三块煮熟的燕麦放在琼脂上,摆成三角形。

雷说:“如果你会煮燕麦粥,你就能把黏菌养大。”我抬头看了一眼,注意到实验室架子上摆着一排排桂格燕麦片的罐子。罐子上的白发老人低头看着这些科学家,脸上挂着殖民地时期的微笑。

“它们喜欢传统燕麦片。”加尼耶说—— 它们 是指黏菌。更准确地说,它们喜欢生长在传统燕麦片上的细菌。看来,早餐都不是无菌的。

雷在培养皿中间放了一团活的绒泡菌。它无法看到燕麦片在哪里。但它可以尝到糖和其他分子的味道,这些从食物中释放出的分子通过琼脂进一步扩散。当黏菌的“触手”从中心向外伸展时,这些“触手”表面的蛋白就会接收这些信号。然后,它利用一套简单的规则来寻找食物。

每只“触手”移动时,它会比较其路径上各个点的分子浓度。如果浓度下降,黏菌就会停止向那个方向伸展“触手”。如果浓度上升,它就会继续探索。雷把黏菌放到培养皿中间几个小时后,它的“触手”已经伸到了放着燕麦片的三个地方。当它们渗入燕麦片时,燕麦从灰白色变成了金色。

由于黏菌没有大脑发出指令,所以科学家们通过黏菌可以了解到一个非常关键的信息——生命的决策能力是如何从生物化学中显现出来的。科学家们发现了黏菌使用的一整套简单又巧妙的生存规则。为了让我见识一下黏菌诸多高超技艺中的一项,雷又做了一个实验,这是加尼耶之前的一名学生于2012年首次做的实验。他为黏菌建造了一个死胡同。

这个死胡同建造起来很简单。雷用剪刀把一张醋酸纤维素膜剪成这样的形状:|_|。他把剪好的醋酸纤维素膜放在培养皿中。黏菌只能在潮湿的表面爬行,所以干燥的醋酸纤维素膜对它们来说就像一堵高高的砖墙一样,难以逾越。

然后,雷在死胡同的开口处放了一勺绒泡菌。在开口处对应的另一侧,他滴了一滴糖水。死胡同的墙就位于这两者之间,但糖可以偷偷地从它下面溜出来,通过琼脂扩散,用它的香味挑逗黏菌,引诱黏菌进入陷阱。

第二天,当我们回来查看黏菌的情况时,它已经逃出了死胡同。在看这部通宵拍摄的关于黏菌出逃的电影时,我感觉自己就像是一个正在调查越狱的警卫。黏菌循着糖的踪迹进入死胡同,撞上了醋酸纤维素膜的墙。但它没有放弃,继续搜寻。它向两边都伸出了“触手”。左边的分支最终触到了墙角,之后开始折返,离开了陷阱。然后,它们转过来,沿着墙的外侧,朝着糖爬去。

黏菌利用一种没有大脑的记忆实现了这样的逃逸。它们不断伸出探测“触手”,如果“触手”没有探测到关于食物浓度的递增信号,它们就会回缩。这些“触手”在回缩时,会留下一层黏糊糊的物质。绒泡菌能够觉察到自己的踪迹,然后引导自己的新“触手”绕开它们。这种外部记忆可以让黏菌克制自己对糖的迷恋。所以它可以走出死胡同,探索新的路径来寻找食物,而不是将自己多头的脑袋撞到醋酸纤维素膜的墙上。我们需要用大脑来记忆,但绒泡菌没有这样的器官。虽然没有大脑,但绒泡菌储存了它在外部世界种种经历的记录。

黏菌已经解决了远比这更复杂的问题。例如,日本科学家中垣俊之发现,黏菌可以找到通过迷宫的最短路径。他将一块塑料板切割成许多通路,然后把切割好的塑料板放在一层琼脂上,黏菌的迷宫就搭建好了。中垣俊之和他的同事在迷宫的一个开口处放了一片覆盖着黏菌的燕麦片,在另一个开口处放了更多的燕麦片。黏菌在迷宫中不断伸出新的“触手”,探寻每一条可能的路径。当黏菌在迷宫的另一个开口处找到燕麦片时,它就开始同时享用这两处食物,并缩回那些走入死胡同的分支。最终,黏菌精简了伸出的“触手”,仅剩一只“触手”的黏菌绘制出了一条穿越迷宫的路线。在中垣俊之设计的这个迷宫中,黏菌寻找食物的可行路线一共有四条。中垣俊之发现,黏菌最终总会找到那条最短的路线。

一些科学家还给黏菌出了另外一些难题,这些难题与它们在森林地面上的生活更加息息相关。在自然界中,黏菌不是在迷宫的两端找到食物的,它们可能会遇到散布在原木上的成片的食物。如果黏菌能一次性吃掉所有食物,它们就会长得更快。但是,为了能接触到所有食物,它们必须付出建造“触手”的新陈代谢成本。如果建造过多的“触手”,它们消耗的能量将超过它们从食物中获取的能量。

事实证明,黏菌非常擅长找到这一问题的有效解决方案:它们能找出同时通往几处食物的最短路径。中垣俊之和其他黏菌专家做了许多实验,想了解黏菌究竟是如何做出这些复杂选择的。他们把燕麦洒在培养皿上,观察绒泡菌如何找出解决方案。它并没有形成单一的之字形通路,而是构建起一个网络,以最短的可行路线将所有燕麦连接起来。在一项实验中,科学家们制作了一张美国地图,用燕麦片代表那些最大的城市。黏菌这次的作品看起来非常像美国州际高速公路系统。此外,黏菌交出的作品还包括东京地铁线路和加拿大交通网络的近似图。让数学家们感到不安的是,黏菌能在几天内解决这类问题,而他们为此忙活了几个世纪。

还有一个问题难倒了一代又一代的数学家,那就是背包问题。假设你正在为徒步旅行做准备,你必须决定要在背包里装什么。有许多在旅行中基本都用得上的物品可供选择,但你也得注意所选物品的重量,因为你的背包不可能装下无限多的东西。你可以在背包里塞一副扑克牌,这样如果在山上遇到下雨的早晨,你就可以用扑克牌来打发时间。但你肯定不会仅仅为了不让自己感到无聊,就把一副40磅重、用皂石雕刻的国际象棋塞进背包。数学家们对这一选择问题加以提炼,概括成了一种纯粹的抽象形式。你拥有一组物品,其中每件物品都有自己的价值和重量。现在,你必须找出限定重量范围内价值最高的物品组合。

许多企业都面临着现实版的背包问题。航空公司要解决的现实问题是,飞机应该如何装载才能用最少的燃料运输一批总价值最高的货物。金融公司在面对具有不同回报潜力的项目时,则致力于寻找其中的最佳投资组合。然而,仅凭一个简单的方程式是无法解决背包问题的。对此,研究人员著书立说,提出了许多策略,旨在让我们更接近最佳解决方案。

黏菌可能不会写书,但它们可以解决背包问题。法国图卢兹保罗·萨巴蒂尔大学的科学家奥黛丽·杜苏图尔(Audrey Dussutour)和她的同事将这个问题翻译成了对黏菌很重要的术语——食物,让它们得以施展自己的才华。为了尽可能长得更快一些,绒泡菌需要蛋白质和碳水化合物。结果显示,绒泡菌所需蛋白质和碳水化合物的最佳配比是2∶1。

杜苏图尔让绒泡菌在两小块食物之间做选择,这两小块食物都很不理想。其中一块食物的蛋白质和碳水化合物比例是9∶1,另一块是1∶3。如果黏菌触到第一块食物,只吃这一块,那它就无法摄取足够的碳水化合物。反过来,如果只吃第二块食物,它又会缺乏蛋白质。

面对杜苏图尔提供的这两个糟糕选择,黏菌找到了解决办法,将其变成了一个不错的选择。它长出“触手”,不断搜索,找到这两小块食物。最终,黏菌构建的网络瓦解,形成一条连接两小块食物的高速公路。但只是将这两块食物等比例混合在一起并不能给黏菌提供理想的饮食。因此,比起富含碳水化合物的那块食物,黏菌吃了更多富含蛋白质的食物。通过这种方式,黏菌使自己摄取的蛋白质和碳水化合物接近2:1的理想比例。杜苏图尔还做了其他一些相关实验,为黏菌精心搭配了多种食物,而黏菌总能找到平衡这些食物比例的办法。换句话说,它们知道如何在自己的背包里装上恰当的补给搭配。

随着黏菌研究人员进行更多这样的实验,绒泡菌在森林里蓬勃生长的秘密逐渐被揭开。黏菌接收它所触及的所有东西的信息,如果遇到细菌和孢子丰富的地方,它会朝着这些盛宴移动。如果爬到了阳光下,它会缩回到阴凉处。它可以不断调整自己的网络,精确程度就如同数学家们计算出来的一样,以便能够花费最低的成本享用最丰盛的食物。这一策略非常奏效。如果条件适宜,黏菌可以长得像地毯一样大。

我好奇地问加尼耶,黏菌究竟是怎么解决这些问题的。他耸了耸肩,说道:“欢迎来到黏菌的美丽世界,一个神秘的未知世界。”

但他的一名研究生——阿比德·哈克(Abid Haque)——愿意向我展示他和加尼耶怀疑隐藏着某些答案的地方:黏菌金色的“触手”。

来到纽瓦克之前,哈克一直在印度理工学院古瓦哈蒂分校学习机械工程。一个夏季的研究项目让他对绒泡菌产生了极大的兴趣,现在,他在加尼耶的实验室攻读博士学位。我们见面的那天,他穿了件黑色的T恤,上面印着维多利亚时代风格的黏菌版画图案:金丝装饰的孢子笼、蝌蚪状的性细胞,以及看起来非常有弹性的树状绒泡菌网络。

哈克小心翼翼地剪下一英寸长的黏菌“触手”,把它带到一个光线昏暗的显微镜室。他静静地旋转着显微镜上的旋钮,几秒钟后,他感叹道:“哦,太棒了。”

在我低头看向载玻片时,我的眼睛花了好一会儿才适应,我的大脑也花了好一会儿才弄清楚我看到的是什么。然后,在一瞬间,我看到了一条正在流淌的绿色河流,水流中还夹杂着一些深深浅浅的颗粒。过了一会儿,河水的流速慢了下来。水流中的颗粒也缓缓地滑行,最终停了下来。片刻宁静之后,河水开始倒流,将颗粒推向与之前相反的方向。

颜色较浅的颗粒含有黏菌用来分解食物的酶。而颜色较深的颗粒是它的细胞核,也就是黏菌保存基因的微囊。我们人类的细胞中也有细胞核,但通常每个细胞只有一个细胞核。当细胞一分为二时,它会产生一个新的细胞核,这样每个新的细胞就会继承它自己的一套DNA。黏菌也可以制造新的细胞核,但它们不会费心将它们的细胞一分为二。所以,每个黏菌——无论是在培养皿中的还是在森林地面上铺展开来的——都是一个巨大的细胞。

加尼耶说:“整体上看,它只是一个细胞,这让人难以置信。”

绒泡菌( Physarum )这个名字源自希腊语,意思是“小风箱”。博物学家们可能是用肉眼观察到了黏菌金色织网中的脉动,才给它取了这个名字。早期研究黏菌的科学家们无法确定它们产生脉动的原因。直到1900年代,生物学家才一睹构成黏菌的分子。

每只“触手”都被微小的丝状骨架包裹着,但“触手”并不是像埃菲尔铁塔那样的刚性桁架。黏菌不断地建造新骨架,拆除旧骨架。它会将骨架组建成一个紧密的网络,这个网络可以夹紧“触手”,推动里面的液体移动。如果网络松开,“触手”壁就会松弛,液体就会回流。

不断地挤压和松弛让黏菌看上去就像是一个跳动的网状心脏。脉动推动颗粒形成波浪,这些波浪又会在整个网络中产生涟漪,它们相互碰撞,使黏菌形成更加复杂的图案。

哈克和加尼耶有一种猜想,他们认为这些波浪可能是单细胞黏菌的信息中继,让它能够了解周围的环境,并将其接收的信息整合到基于波的大量计算中,这样黏菌就可以决定下一步该做什么了。

为了破译这种波浪语言,哈克先做了一个简单的实验。他将几英寸长的黏菌“触手”放在培养皿中。每条“触手”中都有波浪来回涌动。哈克在培养皿两端、黏菌够不到的地方分别放了一小块食物。一块食物富含燕麦,另一块的燕麦含量则相对较少——因此比较不理想。黏菌发现了食物,开始向两个方向伸展触角。哈克发现,当它探寻到这两处食物时,它的波动发生了变化。

哈克和他的同事们发现,波浪更加频繁地涌向美味的食物,不理想的食物则受到冷落。随着波浪的改变,黏菌本身也发生了变化。享用美食的那部分“触手”末端的骨架脱落了,引起黏菌膨胀。一些研究人员提出的理论认为,在黏菌膨胀的同时,吃到不理想食物的“触手”末端的管壁会逐渐硬化。结果就是,黏菌从不理想的食物里面爬出来,吞噬美味的食物。

“这就像你到了一个好地方,你的肌肉就会逐渐减少,”加尼耶告诉我说,“但没关系,因为你在一个好地方。”

加尼耶觉得,如果你到了一个好地方,让你的肌肉减少是一种智慧。他认为,智慧不是智商测试的结果,也不是学习荷兰语的能力。智慧是生命的一项特征:以一种有助于维持有机体存活的方式对不断变化的环境做出反应的能力。

加尼耶解释说:“如果将有机体的表现与随机的情况做个比较,你就会发现,有机体表现得更出色。”我们需要一个充盈的大脑帮助我们取得比随机更好的表现,但也许在“触手”构成的网络中涌动的细胞波浪就足以做到这一点。

“黏菌,”加尼耶说,“将这一原则发挥到了极致。” UjgLf+gRuJ8dX16td0htZXUCWs7q8h0NomKZ64dFTwUwx1iZB4ipUoO/Z1R1Ws0U



登录后阅读更多精彩内容
登录
点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×