我们身边的外星生命

道格拉斯·福克斯+晨飞

列昂尼德·莫罗兹花了20年时间来阐释一个令人惊奇的观点：虽然科学家开始在其他星球上寻找外星生命，但地球上或许已经存在生物特性和大脑与我们差异极大的外星生命了。在过去的数千年当中，它们潜形匿迹，没有被我们觉察。它们能够向我们揭示许多有关进化本质的知识，以及应该对其他星球上的生命拥有怎样的期待。

莫罗兹是一名神经科学家，他在1995年夏天第一次做出了相关的发现。那时他刚从俄罗斯来到美国，在华盛顿的弗莱迪港海洋实验室度过了整个夏天。实验室位于普吉特海湾草木丛生的群岛当中，这里是海潮和洋流的交汇处，不同方向海水的汇聚给岸边带来了数百种动物：成群的海蜇、片脚类甲壳动物、波浪状的海百合、裸腮亚目蛞、扁虫，以及鱼卵和海星，数不胜数。这些动物不仅仅代表了普吉特湾的延伸范围，同时也展示了动物进化树中最遥远的分枝。莫罗兹在实验室后面的码头上花了很多时间收集动物，来研究它们的神经。在此之前，他已经投身动物界神经系统研究很多年了，希望能够解开大脑和智力的进化起源之谜。然而，这些都不及他在弗莱迪港发现的一种动物所带来的惊奇。

他训练眼力，去寻找水中那些球状的、在阳光照射下闪闪发光的透明生物体。它们闪着彩色的光，就像稍纵即逝的彩虹碎片分散开来，通过纤毛的规律性摆动在水中游动。这种被称为栉水母的动物，长期以来一直被认为是水母的一种。但在这个弗莱迪港的夏天，莫罗兹做出了惊人的发现：这种动物平凡无奇的外表下，隐藏着有关身份的巨大误解。在最早期的实验里，莫罗兹就发现，这种动物跟水母毫不相关。事实上，它们和地球上其他任何动物都十分不同。

莫罗兹做出的这一结论，来自对神经递质进行的实验检测。神经递质包括血清素、多巴胺和一氧化氮，这些化学信使是动物界神经系统的通用语言。但是无论通过哪种检测，他都无法在栉水母中找到这些化学物质。这一结果具有重大意义。

人们已知栉水母具有较为发达的神经系统，但是莫罗兹最初的实验却显示，栉水母的神经是由一套完全不同的分子元件构成的，和其他任何动物都不相同。“就像是在使用一套不同的化学语言，”莫罗兹说，“这种动物是海中的‘外星生物。”

如果莫罗兹是正确的，栉水母就代表了一场规模惊人的进化实验，这项实验在自然界进行了超过5亿年。它代表不同的进化道路，可以被称为进化2.0，利用完全不同的初始材料，发明了跟动物界其他成员完全不同的神经元、肌肉和其他分化组织。

如果地球上没有出现脊椎动物、哺乳动物和人类，这些类群没能够主宰地球生态系统，今天的地球会是一番什么样的图景？从栉水母中，我们可以找到一些线索。同样，它给一场持续数十载的辩论提供了新见解：地球生命今天的样貌，有多少是靠运气，有多少是从开始就注定的？

如果地球上的进化从头开始，智慧生命还会再次产生吗？如果能够产生，这种智慧生命会不会处于动物进化树上另外一个遥远的分枝？在这些问题上，栉水母与众不同的神经系统，展示出诱人的可能性。趋同进化指的是不相关的物种在同一个世界中生存演化出相似特征的过程，而大脑则是趋同进化的最佳案例。人类进化出了前所未有的智能，但栉水母告诉我们，或许我们不是唯一的可能。演化出复杂神经系统的倾向可能是广泛存在的——不只在地球上，还在其他世界里。

作为一种主要的动物类群，栉水母并不为人熟知。它的体态类似于水母——胶状、椭球形或者球形，末端有圆形的口器。栉水母在海洋中数量繁多，但是一直被科学家忽视。直到20世纪，教科书里的插图还经常把这种动物画颠倒，口器朝下面向海底，像水母那样。然而在实际生活当中，它的口器是朝上的。

水母通过肌肉收缩带动身体来游动，栉水母则不同，它的游动依靠成千上万条纤毛。水母通过带刺的触手来捕食，而栉水母使用两条黏性的触手分泌胶体来黏住猎物，这种特化的捕食方式与其他动物都不相同。栉水母是贪婪的捕猎者，拥有知名的埋伏战术。它捕食时会將分支的黏性触手伸展开，形成一张网，就像蜘蛛一样，一个接一个精确地捕获猎物。

19世纪末期的科学家在研究栉水母的神经系统时，在显微镜下看到的结构十分寻常。口器周围分布着致密的神经，全身各处的神经则呈网状散布，屈指可数的致密神经束延伸到各个触手，以及每个触手的八条纤毛带当中。20世纪60年代的电子显微镜研究则显示，栉水母的神经元之间具有类似突触的结构，泡状小室置于其中，释放能够刺激相邻细胞的神经递质。

科学家向活栉水母的神经元注射了钙（钙在其他动物体内是负责传导神经冲动的物质，例如老鼠、蠕虫、苍蝇、蜗牛等等），通过刺激特定神经，研究人员甚至可以使纤毛按照不同的方式旋转，从而改变栉水母的游动方向。

总的来说，栉水母的神经似乎和其他动物是相同的。因此，生物学家自然而然地认为它们并没有什么差别。这种对栉水母的看法符合有关动物进化的基本描述，但后来被证明是错误的。

有关海绵的研究支持了一个似乎显然易见的观点，即动物界的神经系统是朝着高复杂度逐渐进化的。

到了20世纪90年代，科学家把栉水母放在动物进化树上靠近底端的位置，位于包括水母、海葵和珊瑚在内的刺胞动物旁边，它们都具有散漫神经系统，没有完全汇集形成脑。当然，除此以外它们还都具有那著名的柔软、摇晃、常常是透明的身体。

进化树上位于栉水母和水母下方的是更原始的两支动物类群：扁盘动物和海绵，它们都缺乏神经细胞。尤其是海绵，它勉强可以被称作动物：直到1866年，英国生物学家亨利·詹姆斯·克拉克才阐明了海绵确实是一种动物。

这奠定了海绵作为与远古单细胞原生生物世界亲缘关系最近的生物的地位，那些原生生物类似于今天的阿米巴虫和草履虫。研究者认为，远古原生生物聚集在一起形成高耸的群落，每个细胞都使用自己的鞭毛来捕食——鞭毛是类似纤毛的线状结构。

这种解读支持了一个似乎显而易见的观点，即动物界的神经系统是朝着高复杂度逐渐进化的，进化树上的每个分枝都比前面分枝的复杂度更高。每种动物都是进化历程中一次单一事件的后代，那就是神经细胞的产生。在之后的进化中，只有一次神经元共同跨越了第二道重要关口——汇集成了中央化的脑。这种观点得到了另一条证据的支撑，那就是：从昆虫到人类，形成神经回路的单个神经细胞的排列方式都惊人相似。这些神经回路是情节和整体行为的基础。事实上，科学家认为第一个脑结构产生的时间很早，出现在昆虫的祖先和脊椎动物进化分离之前。这就意味着它的产生大约是在距今6.5亿至5.5亿年之间，而此后的进化就只有一条故事线，进化树上下游的各个动物分枝都采用同一种基本的脑结构蓝图。

这种脑部进化的图景有一定道理，但1995年在弗莱迪港观察到的现象，让莫罗兹开始怀疑它是不是彻底错了。为了验证自己的预感，他收集了若干种栉水母，把它们的神经系统做成切片，进行化学染色，以观察其中的多巴胺、血清素和一氧化氮——三种广泛存在于动物界的神经递质。然而实验做了一次又一次，却没有在显微镜下找到一点黄色、红色或者绿色的染色痕迹。

在进行多次实验之后，莫罗兹说：“你就会开始意识到它确实是一种与众不同的动物。”他推断栉水母不仅仅和被认为与它亲缘关系很近的其他水母不同，跟地球上其他任何生物的神经系统都十分不同。

栉水母似乎是沿着另一条完全不同的道路进化而来的，但是莫罗兹无法确定这一点。如果他现在就发表自己的研究成果，仅凭几种重要分子的缺失，人们是不会接受相关的进化观点的。“特别的假设需要有特别的证据。”莫罗兹说。因此，他走上了一条漫长的道路，这条道路后来被证明比他想象的还要漫长。

为了运用其他技术研究栉水母，例如进行基因研究，他申报了研究基金。然而在数次失败的尝试之后，他不得不放弃。当时他还很年轻，离开俄罗斯没几年，刚开始在英文期刊上发表研究成果，影响力还不够。因此，莫罗兹只好将栉水母抛在脑后，回到他本来的工作上去，研究蜗牛、蛤类、章鱼和其他软体动物的神经信号。12年后，一次偶然的机会，他才重拾了自己当年对栉水母的兴趣。

2007年，因为参加一次科研会议，他回到了弗莱迪港。一天晚上，他在自己1995年经常去的码头上散步，在灯光下，他偶然瞥见了水中有彩虹般的闪光随波流动，那就是栉水母。此时科研技术已经比当年先进了许多，基因组测序只需要几天时间，而不是几年，莫罗兹也在佛罗里达大学有了自己的实验室。他终于有能力涉足自己的好奇心了。

于是他找来一张网，从水中捕捞了十多个栉水母，它们属于太平洋侧腕水母。莫罗兹把它们冷冻起来带回了佛罗里达大学自己的实验室。在此后的三周里，他拿到了这种栉水母的部分转录组测序结果。测序结果显示，在栉水母的神经细胞里，有5000个至6000个基因是处在激活状态的。这一结果令人吃惊。

首先，测序结果显示太平洋侧腕水母缺乏合成动物界通用神经递质所需的基因和酶。缺失的神经递质不仅仅是15年莫罗兹在实验中检测过的血清素、多巴胺和一氧化氮，还包括乙酰胆碱、奥克巴胺、去甲肾上腺素和其他种类。这种栉水母同时还缺乏神经递质信号受体基因。

莫罗兹曾经的想法得到了证实：1995年他没能在这些栉水母中找到常见的神经递质，确实不是因为当时的实验没有成功，而是因为这种动物根本就没有使用这些化学物质。莫罗兹说，这一发现是个“很大的惊喜”。

“动物都使用神经递质，”他说，“无论是水母、蠕虫、软体动物、海胆还是人类，所使用的信号分子都是同一套。”然而由于某种原因，栉水母进化出了一套与众不同的神经系统，采用了不同的信号分子，而这些信号分子是什么，目前还是未知的。

栉水母进化出了一套独特的分子和基因，与地球上其他任何动物都彻头彻尾地不同。

莫罗兹的转录组和基因组测序结果显示，栉水母同时缺乏许多其他动物的基因，这些基因对神经系统的构建和运转本该是至关重要的。太平洋侧腕水母缺失许多常见的离子通道，它们是确保神经元产生电信号传递的蛋白。这种水母还缺乏从胚胎细胞分化成成熟神经元所需的基因，以及将这些神经元逐步连接成具有功能的神经回路的重要基因。“不仅仅是缺失了几个基因的问题，”莫罗兹说，“它更像是一种彻底不同的设计。”

这意味着栉水母的神经系统代表着一条完全不同的进化路线，使用了和地球上其他动物都不相同的一套分子和基因。这是趋同进化的特例，栉水母进化出的神经系统利用了它能够从环境中获取的任何原材料。从某种意义上来讲，栉水母拥有一套外星神经系统——它的进化独立于整个动物界。

惊喜还远不止这些。栉水母和其他动物的不同不仅仅局限于神经系统，肌肉发育和功能所需的基因也是完全不同的。除此以外，栉水母缺乏动物界通用的体节分化所需的几类基因，其中包括帮助形成器官中特定细胞类型的微小核糖核酸基因，以及可使身体分化为不同部分的HOX基因（无论是蠕虫或者龙虾的身体分节，还是人类脊椎和手指骨的分节，都离不开HOX基因的作用）。这些基因在低等的海绵与扁盘动物中都存在，但在栉水母中却缺失了。

所有这些发现都指向同一个惊人的结论：虽然复杂度高于海绵和扁盘动物（这两种低等动物不但缺乏神经和肌肉细胞，基本上也缺乏其他一切分化的细胞），但栉水母是处在进化树最底端、年代最久远的动物。它在地球上出现之后的7.5亿年（或者可能是5.5亿年）中，用一套完全不同的基因，进化出了神经和肌肉系统，复杂度可以与水母、海葵、海星以及其他许多种蠕虫和贝类相媲美。

2009年，莫罗兹试着发表这份研究结果，但是文章被拒稿了。于是他继续着手进行更多的实验。

此后的两年中，在莫罗兹充实自己研究的同时，其他研究团队也开始做出类似的发现。前景令莫罗兹忧心：在这么多年的研究之后，很难讲他的研究成果会不会被别人抢先发表。

首先，《自然》在2008年发表了一篇研究，对动物界进化树的基本结构进行了质疑，削弱了长期以来海绵是进化树上最原始分枝的假设。该研究对比了150个基因的DNA序列，重新构造了77个动物物种的进化关系，其中包括两种栉水母。这篇文章首次指出具有复杂结构的栉水母实际上才是进化树上最早的分枝，而并非海绵。据文章的合作者、蒙特利湾水族研究所的生物学家史蒂文·哈多克说，单是这个提法，就在科學界掀起了一阵风暴。

2013年，另一个研究团队在《科学》上发表了第一份栉水母基因组，与莫罗兹研究的太平洋侧腕水母不同，这篇文章测序的是淡海栉水母。文章再一次指出，栉水母才是进化分枝中离动物起源最近的一种生物，而并非海绵。

虽然比海绵更加复杂，但栉水母或许是离动物起源最近的一种生物。

在接下来的几个月当中，海绵是最原始动物这一根深蒂固的说法开始从多个方面解体。2014年1月，在埃德蒙顿市阿尔伯塔大学工作的世界顶尖海绵生物学家萨利·雷斯，对海绵这种基本上可以算是单细胞生物集群的生物“是所有动物的祖先”这一已有150年历史的看法提出了质疑。有研究详细阐述了海绵和一种叫作领鞭虫的单细胞原生生物怎样利用两套不同的基因和蛋白质来构建相似的结构。因此，海绵不可能是由任何类似于领鞭虫的原生生物进化而来的。它们在显微镜下的相似性是趋同进化的另一个具有欺骗性的实例：两种没有关联的生物为了完成相似的功能进化出了相似的结构，但使用不同的基因作为原始材料。

这些研究推翻了海绵作为动物进化树上最早分枝的间接证据。曾经看似无可辩驳的理论原来只是一场身份的误会。现在看起来，虽然比海绵要复杂许多，具有神经系统、肌肉和其他器官的栉水母却是进化树上最早的分枝，最接近动物的起源。

但是以上这些研究都没有仔细研究神经元细胞。所以科学界对莫罗兹的核心发现还一无所知：独立进化出的神经系统。

在上述研究逐一发表期间，莫罗兹一直在填补自己证据的空白。虽然进展有些慢，但他的团队还是拿到了太平洋侧腕水母最后一部分的基因组测序结果，获得了那些连最先进的技术也会搞混的DNA序列片段。莫罗兹聘用了30多名学生对栉水母神经元细胞中的基因表达及胚胎发育过程中神经回路如何形成进行分析。

2014年6月，莫罗兹终于在《自然》上发表了太平洋侧腕水母的基因组测序结果。这项研究工作持续了7年， 有力论述了栉水母的神经细胞和神经系统是独立于其他动物进化的。对他来说，栉水母是地球上最接近外星生命的生物。

栉水母为一种可能广泛成立的进化模式提供了一个极端的、震撼性的实例：就像眼睛、翅膀和鱼鳍是动物界多次进化事件的结果一样，神经元细胞也有多个进化起源。莫罗兹目前能够罗列出9种至12种独立的神经系统进化起源，其中包括至少一种刺细胞动物（水母和海葵就）、三种棘皮动物（海星、海百合和海钱）、一种节肢动物（昆虫、蜘蛛和甲壳动物）、一种软体动物（蛤、蜗牛、鱿鱼和章鱼）、一种脊椎动物——现在，栉水母也要算进去了。

“构造神经元的方式不止一种，构造脑的方式也不止一种。”莫罗兹说。在上述每个进化分枝里，都有一套不同的基因、蛋白和其他分子被随机选中，通过随机复制和突变，最终构造出整个神经系统。

令人惊奇的是：动物进化树上不同的进化道路如何能够产生看上去如此相似的神经系统。以亚利桑那大学图森分校的神经解剖学家尼古拉斯·斯特劳斯菲尔德的研究工作为例。他和合作者发现，决定昆虫嗅觉、情节记忆、空间导向、行为选择和视觉的神经回路，几乎与在哺乳动物体内执行对应功能的神经回路完全相同。但对不同生物来说，构造这些神经回路采用的是虽然有重叠，但总的来说不相同的一套基因。

这些相似之处反映了进化的两大原则，它们在任何可能产生生命的星球上都同样适用。第一条原则是趋同：进化树上广泛的分枝为了解决同样的基本问题，找到了神经系统的通用设计。第二条原则是同源：所有不同的神经系统在某个历史时刻都至少具有共同的祖先元素。例如在地球上，它们都从早期地球物理化学环境中产生的分子构造元件进化而来。

事实上，神经系统的基本信号机制很大程度上进化产生于40亿年前地球上最早的细胞在生死关头产生的适应性。早期的细胞可能生存在水环境中，例如温泉或者盐水池，这些环境含有诸如钙的溶解矿物质，会威胁到细胞的生存。（重要的生物分子，例如DNA、RNA和ATP暴露在钙溶液里的时候会凝聚成难降解的黏性团块，类似于浴室里的污垢。）因此，生物学家推测早期生命一

定进化出了将细胞内部钙离子浓度保持在最低水平的机制。这种保护性机制或许包括能够将钙离子泵出细胞的蛋白，以及一套监测钙离子浓度的报警系统。后来的进化利用这套精妙的钙离子反应系统在细胞内外传递信号，控制纤毛和鞭毛的摆动让微生物获得运动的能力，或者控制肌肉的收缩，或者触发神经元释放电信号。距今大约5亿年前，神经系统开始形成时，许多关键的构造元件就已经准备就绪了。

如果地球历史重演，或许进化到2017年，世界上的动物类群并不是今天我们见到的样子。

这些原则对理解进化、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义，它们阐明了随机性和必然性在数十亿年的进化轨迹中的相对重要性。

已故哈佛古生物学家斯蒂芬·古尔德在自己的著作《美妙的生命》（1989）中写到，意外是重要的，灭绝和创生在动物进化史中扮演着同样重要的角色。他指出，5.7亿年以前的寒武纪比今天生存着更多种动物门类，大规模灭绝事件对这些进化分枝做出不可逆转的删减，通过创造出空余的生态位为进化提供动力；存活下来的动物种群可以通过进化填补这些空白——灭绝事件给创造新的物种提供了机会。

与此同时，剑桥大学的古生物学家西蒙·康威·莫里斯强调了进化中趋同的重要性：进化倾向于反复使用相同的解决方案，即使是进化树上亲缘关系很远的物种，彼此使用的基因和蛋白也并不相同，它们还是会构造出相似的结构。

沿着这两条原则的逻辑链，我们可以得出一个惊人的结论。如果地球历史重演，进化到今天，地球上的动物种群可能和现在我们看到的完全不同。哺乳动物或者鸟类，甚至所有的脊椎动物，可能都会缺失。但是进化仍然可以产生基本上相同，甚至完全相同的复杂脑部结构，只不过这种进化可能走向了动物进化树中的其他分枝。

科学家推测其他星球上可能会产生什么样的生命时，一个极具挑逗性的观点开始流行起来：与我们熟知的任何形式的生命都不同的外星生命，可能已经在地球上存在了。这一观点认为，地球上的生命进化可能进行了两次或者多次，而不是长期以来人们认为的仅有一次。我们熟知的生命形式统治了地球，其他形式的生命则退缩到了角落里。这些“影子生物圈”可能很难被检测到，因为它们或许不含DNA、蛋白质或者其他我们用来检测生命特征的分子。

栉水母这个门类还不算特别离奇。它依然基于我们共享的化学基础之上，但仍然算是动物生物学中的“影子生物”。栉水母是其他动物的远亲，只是我们一直没有发现罢了。

正因为栉水母的神经和肌肉使用了一套与其他被研究过的动物完全不同的基因和蛋白，它给我们提供了探索某些重大问题的独特机遇：神经系统到底能有多不同？我们真的理解生命感知环境和行动反馈的机理吗？

栉水母甚至可以帮助我们理解和预测在其他星球上，不基于DNA和蛋白质的外星生命会如何演化出神经系统。进化生物学家认为，即使是基于外星生物化学的，生命也倾向于采用相似的组织方式。英国伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩曾经写到，外星生命可能和地球上的生命一样，用某种细胞膜进行胞内功能区域划分，利用跨细胞膜的pH值或者离子浓度梯度等电化学差异来给自己提供能量。从远古陨石中提取的化学物质可以轻松形成膜结构——虽然这种膜结构可能和生物膜的组分不相同。一旦其他星球上的生命形成了细胞膜，产生神经系统的过程就会随着进化自然而然到来，就像在地球上一样。

莫罗兹还在进一步研究栉水母。这种生物长期以来一直被科学家忽视，部分原因在于它们太脆弱了，很难在实验室中存活。莫罗兹正在改装一艘研究船，在船上装备基因组测序仪、胚胎培养装置和在原位对活体进行神经刺激的实验设备，以解决目前面臨的问题。他希望通过梳理栉水母的神经回路，更多地了解脑部构造的总体设计原理，并验证这些原理是否真的具有普适性。

研究走到今天是一个漫长的过程。为了意识到栉水母到底有多么特别，莫罗兹不得不推翻前人做出的很多研究成果。而此前，正因为“从一开始就接受了教科书中的假设”，接受新的观点耗费了他20年时间。