我們身邊的外星生命

道格拉斯·福克斯+晨飛

列昂尼德·莫羅茲花了20年時間來闡釋一個令人驚奇的觀點：雖然科學家開始在其他星球上尋找外星生命，但地球上或許已經存在生物特性和大腦與我們差異極大的外星生命了。在過去的數千年當中，它們潛形匿跡，沒有被我們覺察。它們能夠向我們揭示許多有關進化本質的知識，以及應該對其他星球上的生命擁有怎樣的期待。

莫羅茲是一名神經科學家，他在1995年夏天第一次做出了相關的發現。那時他剛從俄羅斯來到美國，在華盛頓的弗萊迪港海洋實驗室度過了整個夏天。實驗室位于普吉特海灣草木叢生的群島當中，這里是海潮和洋流的交匯處，不同方向海水的匯聚給岸邊帶來了數百種動物：成群的海蜇、片腳類甲殼動物、波浪狀的海百合、裸腮亞目蛞、扁蟲，以及魚卵和海星，數不勝數。這些動物不僅僅代表了普吉特灣的延伸范圍，同時也展示了動物進化樹中最遙遠的分枝。莫羅茲在實驗室后面的碼頭上花了很多時間收集動物，來研究它們的神經。在此之前，他已經投身動物界神經系統研究很多年了，希望能夠解開大腦和智力的進化起源之謎。然而，這些都不及他在弗萊迪港發現的一種動物所帶來的驚奇。

他訓練眼力，去尋找水中那些球狀的、在陽光照射下閃閃發光的透明生物體。它們閃著彩色的光，就像稍縱即逝的彩虹碎片分散開來，通過纖毛的規律性擺動在水中游動。這種被稱為櫛水母的動物，長期以來一直被認為是水母的一種。但在這個弗萊迪港的夏天，莫羅茲做出了驚人的發現：這種動物平凡無奇的外表下，隱藏著有關身份的巨大誤解。在最早期的實驗里，莫羅茲就發現，這種動物跟水母毫不相關。事實上，它們和地球上其他任何動物都十分不同。

莫羅茲做出的這一結論，來自對神經遞質進行的實驗檢測。神經遞質包括血清素、多巴胺和一氧化氮，這些化學信使是動物界神經系統的通用語言。但是無論通過哪種檢測，他都無法在櫛水母中找到這些化學物質。這一結果具有重大意義。

人們已知櫛水母具有較為發達的神經系統，但是莫羅茲最初的實驗卻顯示，櫛水母的神經是由一套完全不同的分子元件構成的，和其他任何動物都不相同?！熬拖袷窃谑褂靡惶撞煌幕瘜W語言，”莫羅茲說，“這種動物是海中的‘外星生物?！?/p>

如果莫羅茲是正確的，櫛水母就代表了一場規模驚人的進化實驗，這項實驗在自然界進行了超過5億年。它代表不同的進化道路，可以被稱為進化2.0，利用完全不同的初始材料，發明了跟動物界其他成員完全不同的神經元、肌肉和其他分化組織。

如果地球上沒有出現脊椎動物、哺乳動物和人類，這些類群沒能夠主宰地球生態系統，今天的地球會是一番什么樣的圖景？從櫛水母中，我們可以找到一些線索。同樣，它給一場持續數十載的辯論提供了新見解：地球生命今天的樣貌，有多少是靠運氣，有多少是從開始就注定的？

如果地球上的進化從頭開始，智慧生命還會再次產生嗎？如果能夠產生，這種智慧生命會不會處于動物進化樹上另外一個遙遠的分枝？在這些問題上，櫛水母與眾不同的神經系統，展示出誘人的可能性。趨同進化指的是不相關的物種在同一個世界中生存演化出相似特征的過程，而大腦則是趨同進化的最佳案例。人類進化出了前所未有的智能，但櫛水母告訴我們，或許我們不是唯一的可能。演化出復雜神經系統的傾向可能是廣泛存在的——不只在地球上，還在其他世界里。

作為一種主要的動物類群，櫛水母并不為人熟知。它的體態類似于水母——膠狀、橢球形或者球形，末端有圓形的口器。櫛水母在海洋中數量繁多，但是一直被科學家忽視。直到20世紀，教科書里的插圖還經常把這種動物畫顛倒，口器朝下面向海底，像水母那樣。然而在實際生活當中，它的口器是朝上的。

水母通過肌肉收縮帶動身體來游動，櫛水母則不同，它的游動依靠成千上萬條纖毛。水母通過帶刺的觸手來捕食，而櫛水母使用兩條黏性的觸手分泌膠體來黏住獵物，這種特化的捕食方式與其他動物都不相同。櫛水母是貪婪的捕獵者，擁有知名的埋伏戰術。它捕食時會將分支的黏性觸手伸展開，形成一張網，就像蜘蛛一樣，一個接一個精確地捕獲獵物。

19世紀末期的科學家在研究櫛水母的神經系統時，在顯微鏡下看到的結構十分尋常?？谄髦車植贾旅艿纳窠?，全身各處的神經則呈網狀散布，屈指可數的致密神經束延伸到各個觸手，以及每個觸手的八條纖毛帶當中。20世紀60年代的電子顯微鏡研究則顯示，櫛水母的神經元之間具有類似突觸的結構，泡狀小室置于其中，釋放能夠刺激相鄰細胞的神經遞質。

科學家向活櫛水母的神經元注射了鈣（鈣在其他動物體內是負責傳導神經沖動的物質，例如老鼠、蠕蟲、蒼蠅、蝸牛等等），通過刺激特定神經，研究人員甚至可以使纖毛按照不同的方式旋轉，從而改變櫛水母的游動方向。

總的來說，櫛水母的神經似乎和其他動物是相同的。因此，生物學家自然而然地認為它們并沒有什么差別。這種對櫛水母的看法符合有關動物進化的基本描述，但后來被證明是錯誤的。

有關海綿的研究支持了一個似乎顯然易見的觀點，即動物界的神經系統是朝著高復雜度逐漸進化的。

到了20世紀90年代，科學家把櫛水母放在動物進化樹上靠近底端的位置，位于包括水母、?？蜕汉髟趦鹊拇贪麆游锱赃叄鼈兌季哂猩⒙窠浵到y，沒有完全匯集形成腦。當然，除此以外它們還都具有那著名的柔軟、搖晃、常常是透明的身體。

進化樹上位于櫛水母和水母下方的是更原始的兩支動物類群：扁盤動物和海綿，它們都缺乏神經細胞。尤其是海綿，它勉強可以被稱作動物：直到1866年，英國生物學家亨利·詹姆斯·克拉克才闡明了海綿確實是一種動物。

這奠定了海綿作為與遠古單細胞原生生物世界親緣關系最近的生物的地位，那些原生生物類似于今天的阿米巴蟲和草履蟲。研究者認為，遠古原生生物聚集在一起形成高聳的群落，每個細胞都使用自己的鞭毛來捕食——鞭毛是類似纖毛的線狀結構。

這種解讀支持了一個似乎顯而易見的觀點，即動物界的神經系統是朝著高復雜度逐漸進化的，進化樹上的每個分枝都比前面分枝的復雜度更高。每種動物都是進化歷程中一次單一事件的后代，那就是神經細胞的產生。在之后的進化中，只有一次神經元共同跨越了第二道重要關口——匯集成了中央化的腦。這種觀點得到了另一條證據的支撐，那就是：從昆蟲到人類，形成神經回路的單個神經細胞的排列方式都驚人相似。這些神經回路是情節和整體行為的基礎。事實上，科學家認為第一個腦結構產生的時間很早，出現在昆蟲的祖先和脊椎動物進化分離之前。這就意味著它的產生大約是在距今6.5億至5.5億年之間，而此后的進化就只有一條故事線，進化樹上下游的各個動物分枝都采用同一種基本的腦結構藍圖。

這種腦部進化的圖景有一定道理，但1995年在弗萊迪港觀察到的現象，讓莫羅茲開始懷疑它是不是徹底錯了。為了驗證自己的預感，他收集了若干種櫛水母，把它們的神經系統做成切片，進行化學染色，以觀察其中的多巴胺、血清素和一氧化氮——三種廣泛存在于動物界的神經遞質。然而實驗做了一次又一次，卻沒有在顯微鏡下找到一點黃色、紅色或者綠色的染色痕跡。

在進行多次實驗之后，莫羅茲說：“你就會開始意識到它確實是一種與眾不同的動物?！彼茢鄼彼覆粌H僅和被認為與它親緣關系很近的其他水母不同，跟地球上其他任何生物的神經系統都十分不同。

櫛水母似乎是沿著另一條完全不同的道路進化而來的，但是莫羅茲無法確定這一點。如果他現在就發表自己的研究成果，僅憑幾種重要分子的缺失，人們是不會接受相關的進化觀點的?！疤貏e的假設需要有特別的證據。”莫羅茲說。因此，他走上了一條漫長的道路，這條道路后來被證明比他想象的還要漫長。

為了運用其他技術研究櫛水母，例如進行基因研究，他申報了研究基金。然而在數次失敗的嘗試之后，他不得不放棄。當時他還很年輕，離開俄羅斯沒幾年，剛開始在英文期刊上發表研究成果，影響力還不夠。因此，莫羅茲只好將櫛水母拋在腦后，回到他本來的工作上去，研究蝸牛、蛤類、章魚和其他軟體動物的神經信號。12年后，一次偶然的機會，他才重拾了自己當年對櫛水母的興趣。

2007年，因為參加一次科研會議，他回到了弗萊迪港。一天晚上，他在自己1995年經常去的碼頭上散步，在燈光下，他偶然瞥見了水中有彩虹般的閃光隨波流動，那就是櫛水母。此時科研技術已經比當年先進了許多，基因組測序只需要幾天時間，而不是幾年，莫羅茲也在佛羅里達大學有了自己的實驗室。他終于有能力涉足自己的好奇心了。

于是他找來一張網，從水中捕撈了十多個櫛水母，它們屬于太平洋側腕水母。莫羅茲把它們冷凍起來帶回了佛羅里達大學自己的實驗室。在此后的三周里，他拿到了這種櫛水母的部分轉錄組測序結果。測序結果顯示，在櫛水母的神經細胞里，有5000個至6000個基因是處在激活狀態的。這一結果令人吃驚。

首先，測序結果顯示太平洋側腕水母缺乏合成動物界通用神經遞質所需的基因和酶。缺失的神經遞質不僅僅是15年莫羅茲在實驗中檢測過的血清素、多巴胺和一氧化氮，還包括乙酰膽堿、奧克巴胺、去甲腎上腺素和其他種類。這種櫛水母同時還缺乏神經遞質信號受體基因。

莫羅茲曾經的想法得到了證實：1995年他沒能在這些櫛水母中找到常見的神經遞質，確實不是因為當時的實驗沒有成功，而是因為這種動物根本就沒有使用這些化學物質。莫羅茲說，這一發現是個“很大的驚喜”。

“動物都使用神經遞質，”他說，“無論是水母、蠕蟲、軟體動物、海膽還是人類，所使用的信號分子都是同一套?！比欢捎谀撤N原因，櫛水母進化出了一套與眾不同的神經系統，采用了不同的信號分子，而這些信號分子是什么，目前還是未知的。

櫛水母進化出了一套獨特的分子和基因，與地球上其他任何動物都徹頭徹尾地不同。

莫羅茲的轉錄組和基因組測序結果顯示，櫛水母同時缺乏許多其他動物的基因，這些基因對神經系統的構建和運轉本該是至關重要的。太平洋側腕水母缺失許多常見的離子通道，它們是確保神經元產生電信號傳遞的蛋白。這種水母還缺乏從胚胎細胞分化成成熟神經元所需的基因，以及將這些神經元逐步連接成具有功能的神經回路的重要基因?！安粌H僅是缺失了幾個基因的問題，”莫羅茲說，“它更像是一種徹底不同的設計?！?/p>

這意味著櫛水母的神經系統代表著一條完全不同的進化路線，使用了和地球上其他動物都不相同的一套分子和基因。這是趨同進化的特例，櫛水母進化出的神經系統利用了它能夠從環境中獲取的任何原材料。從某種意義上來講，櫛水母擁有一套外星神經系統——它的進化獨立于整個動物界。

驚喜還遠不止這些。櫛水母和其他動物的不同不僅僅局限于神經系統，肌肉發育和功能所需的基因也是完全不同的。除此以外，櫛水母缺乏動物界通用的體節分化所需的幾類基因，其中包括幫助形成器官中特定細胞類型的微小核糖核酸基因，以及可使身體分化為不同部分的HOX基因（無論是蠕蟲或者龍蝦的身體分節，還是人類脊椎和手指骨的分節，都離不開HOX基因的作用）。這些基因在低等的海綿與扁盤動物中都存在，但在櫛水母中卻缺失了。

所有這些發現都指向同一個驚人的結論：雖然復雜度高于海綿和扁盤動物（這兩種低等動物不但缺乏神經和肌肉細胞，基本上也缺乏其他一切分化的細胞），但櫛水母是處在進化樹最底端、年代最久遠的動物。它在地球上出現之后的7.5億年（或者可能是5.5億年）中，用一套完全不同的基因，進化出了神經和肌肉系統，復雜度可以與水母、海葵、海星以及其他許多種蠕蟲和貝類相媲美。

2009年，莫羅茲試著發表這份研究結果，但是文章被拒稿了。于是他繼續著手進行更多的實驗。

此后的兩年中，在莫羅茲充實自己研究的同時，其他研究團隊也開始做出類似的發現。前景令莫羅茲憂心：在這么多年的研究之后，很難講他的研究成果會不會被別人搶先發表。

首先，《自然》在2008年發表了一篇研究，對動物界進化樹的基本結構進行了質疑，削弱了長期以來海綿是進化樹上最原始分枝的假設。該研究對比了150個基因的DNA序列，重新構造了77個動物物種的進化關系，其中包括兩種櫛水母。這篇文章首次指出具有復雜結構的櫛水母實際上才是進化樹上最早的分枝，而并非海綿。據文章的合作者、蒙特利灣水族研究所的生物學家史蒂文·哈多克說，單是這個提法，就在科學界掀起了一陣風暴。

2013年，另一個研究團隊在《科學》上發表了第一份櫛水母基因組，與莫羅茲研究的太平洋側腕水母不同，這篇文章測序的是淡海櫛水母。文章再一次指出，櫛水母才是進化分枝中離動物起源最近的一種生物，而并非海綿。

雖然比海綿更加復雜，但櫛水母或許是離動物起源最近的一種生物。

在接下來的幾個月當中，海綿是最原始動物這一根深蒂固的說法開始從多個方面解體。2014年1月，在埃德蒙頓市阿爾伯塔大學工作的世界頂尖海綿生物學家薩利·雷斯，對海綿這種基本上可以算是單細胞生物集群的生物“是所有動物的祖先”這一已有150年歷史的看法提出了質疑。有研究詳細闡述了海綿和一種叫作領鞭蟲的單細胞原生生物怎樣利用兩套不同的基因和蛋白質來構建相似的結構。因此，海綿不可能是由任何類似于領鞭蟲的原生生物進化而來的。它們在顯微鏡下的相似性是趨同進化的另一個具有欺騙性的實例：兩種沒有關聯的生物為了完成相似的功能進化出了相似的結構，但使用不同的基因作為原始材料。

這些研究推翻了海綿作為動物進化樹上最早分枝的間接證據。曾經看似無可辯駁的理論原來只是一場身份的誤會?，F在看起來，雖然比海綿要復雜許多，具有神經系統、肌肉和其他器官的櫛水母卻是進化樹上最早的分枝，最接近動物的起源。

但是以上這些研究都沒有仔細研究神經元細胞。所以科學界對莫羅茲的核心發現還一無所知：獨立進化出的神經系統。

在上述研究逐一發表期間，莫羅茲一直在填補自己證據的空白。雖然進展有些慢，但他的團隊還是拿到了太平洋側腕水母最后一部分的基因組測序結果，獲得了那些連最先進的技術也會搞混的DNA序列片段。莫羅茲聘用了30多名學生對櫛水母神經元細胞中的基因表達及胚胎發育過程中神經回路如何形成進行分析。

2014年6月，莫羅茲終于在《自然》上發表了太平洋側腕水母的基因組測序結果。這項研究工作持續了7年， 有力論述了櫛水母的神經細胞和神經系統是獨立于其他動物進化的。對他來說，櫛水母是地球上最接近外星生命的生物。

櫛水母為一種可能廣泛成立的進化模式提供了一個極端的、震撼性的實例：就像眼睛、翅膀和魚鰭是動物界多次進化事件的結果一樣，神經元細胞也有多個進化起源。莫羅茲目前能夠羅列出9種至12種獨立的神經系統進化起源，其中包括至少一種刺細胞動物（水母和?？停?、三種棘皮動物（海星、海百合和海錢）、一種節肢動物（昆蟲、蜘蛛和甲殼動物）、一種軟體動物（蛤、蝸牛、魷魚和章魚）、一種脊椎動物——現在，櫛水母也要算進去了。

“構造神經元的方式不止一種，構造腦的方式也不止一種?！蹦_茲說。在上述每個進化分枝里，都有一套不同的基因、蛋白和其他分子被隨機選中，通過隨機復制和突變，最終構造出整個神經系統。

令人驚奇的是：動物進化樹上不同的進化道路如何能夠產生看上去如此相似的神經系統。以亞利桑那大學圖森分校的神經解剖學家尼古拉斯·斯特勞斯菲爾德的研究工作為例。他和合作者發現，決定昆蟲嗅覺、情節記憶、空間導向、行為選擇和視覺的神經回路，幾乎與在哺乳動物體內執行對應功能的神經回路完全相同。但對不同生物來說，構造這些神經回路采用的是雖然有重疊，但總的來說不相同的一套基因。

這些相似之處反映了進化的兩大原則，它們在任何可能產生生命的星球上都同樣適用。第一條原則是趨同：進化樹上廣泛的分枝為了解決同樣的基本問題，找到了神經系統的通用設計。第二條原則是同源：所有不同的神經系統在某個歷史時刻都至少具有共同的祖先元素。例如在地球上，它們都從早期地球物理化學環境中產生的分子構造元件進化而來。

事實上，神經系統的基本信號機制很大程度上進化產生于40億年前地球上最早的細胞在生死關頭產生的適應性。早期的細胞可能生存在水環境中，例如溫泉或者鹽水池，這些環境含有諸如鈣的溶解礦物質，會威脅到細胞的生存。（重要的生物分子，例如DNA、RNA和ATP暴露在鈣溶液里的時候會凝聚成難降解的黏性團塊，類似于浴室里的污垢。）因此，生物學家推測早期生命一

定進化出了將細胞內部鈣離子濃度保持在最低水平的機制。這種保護性機制或許包括能夠將鈣離子泵出細胞的蛋白，以及一套監測鈣離子濃度的報警系統。后來的進化利用這套精妙的鈣離子反應系統在細胞內外傳遞信號，控制纖毛和鞭毛的擺動讓微生物獲得運動的能力，或者控制肌肉的收縮，或者觸發神經元釋放電信號。距今大約5億年前，神經系統開始形成時，許多關鍵的構造元件就已經準備就緒了。

如果地球歷史重演，或許進化到2017年，世界上的動物類群并不是今天我們見到的樣子。

這些原則對理解進化、理解地球以及其他星球上生命可能具有的形式具有重要意義，它們闡明了隨機性和必然性在數十億年的進化軌跡中的相對重要性。

已故哈佛古生物學家斯蒂芬·古爾德在自己的著作《美妙的生命》（1989）中寫到，意外是重要的，滅絕和創生在動物進化史中扮演著同樣重要的角色。他指出，5.7億年以前的寒武紀比今天生存著更多種動物門類，大規模滅絕事件對這些進化分枝做出不可逆轉的刪減，通過創造出空余的生態位為進化提供動力；存活下來的動物種群可以通過進化填補這些空白——滅絕事件給創造新的物種提供了機會。

與此同時，劍橋大學的古生物學家西蒙·康威·莫里斯強調了進化中趨同的重要性：進化傾向于反復使用相同的解決方案，即使是進化樹上親緣關系很遠的物種，彼此使用的基因和蛋白也并不相同，它們還是會構造出相似的結構。

沿著這兩條原則的邏輯鏈，我們可以得出一個驚人的結論。如果地球歷史重演，進化到今天，地球上的動物種群可能和現在我們看到的完全不同。哺乳動物或者鳥類，甚至所有的脊椎動物，可能都會缺失。但是進化仍然可以產生基本上相同，甚至完全相同的復雜腦部結構，只不過這種進化可能走向了動物進化樹中的其他分枝。

科學家推測其他星球上可能會產生什么樣的生命時，一個極具挑逗性的觀點開始流行起來：與我們熟知的任何形式的生命都不同的外星生命，可能已經在地球上存在了。這一觀點認為，地球上的生命進化可能進行了兩次或者多次，而不是長期以來人們認為的僅有一次。我們熟知的生命形式統治了地球，其他形式的生命則退縮到了角落里。這些“影子生物圈”可能很難被檢測到，因為它們或許不含DNA、蛋白質或者其他我們用來檢測生命特征的分子。

櫛水母這個門類還不算特別離奇。它依然基于我們共享的化學基礎之上，但仍然算是動物生物學中的“影子生物”。櫛水母是其他動物的遠親，只是我們一直沒有發現罷了。

正因為櫛水母的神經和肌肉使用了一套與其他被研究過的動物完全不同的基因和蛋白，它給我們提供了探索某些重大問題的獨特機遇：神經系統到底能有多不同？我們真的理解生命感知環境和行動反饋的機理嗎？

櫛水母甚至可以幫助我們理解和預測在其他星球上，不基于DNA和蛋白質的外星生命會如何演化出神經系統。進化生物學家認為，即使是基于外星生物化學的，生命也傾向于采用相似的組織方式。英國倫敦大學學院的生物化學家尼克·萊恩曾經寫到，外星生命可能和地球上的生命一樣，用某種細胞膜進行胞內功能區域劃分，利用跨細胞膜的pH值或者離子濃度梯度等電化學差異來給自己提供能量。從遠古隕石中提取的化學物質可以輕松形成膜結構——雖然這種膜結構可能和生物膜的組分不相同。一旦其他星球上的生命形成了細胞膜，產生神經系統的過程就會隨著進化自然而然到來，就像在地球上一樣。

莫羅茲還在進一步研究櫛水母。這種生物長期以來一直被科學家忽視，部分原因在于它們太脆弱了，很難在實驗室中存活。莫羅茲正在改裝一艘研究船，在船上裝備基因組測序儀、胚胎培養裝置和在原位對活體進行神經刺激的實驗設備，以解決目前面臨的問題。他希望通過梳理櫛水母的神經回路，更多地了解腦部構造的總體設計原理，并驗證這些原理是否真的具有普適性。

研究走到今天是一個漫長的過程。為了意識到櫛水母到底有多么特別，莫羅茲不得不推翻前人做出的很多研究成果。而此前，正因為“從一開始就接受了教科書中的假設”，接受新的觀點耗費了他20年時間。