萌物“修叽”?骗谁呢!

2019-10-16 08:03暗号
科学Fans 2019年8期
关键词:黏菌格斯章鱼

暗号

我们的实验室位于海边,空气清新,气候宜人,大家天天听着海浪声入睡,难免会产生一些怪异的想法。作为第一个拓荒项目,我们觉得进行一个基因改造作为突破点会比较好,但是究竟以什么生物为模型呢?团队讨论了很久。

某一天,一位眼镜如同瓶底子的卷毛生物学家拿着一本《克苏鲁神话》来到会议室,翻开其中一页,指着插图说:“这么可爱又能干的修叽,不造一只怎么行?”

修……修叽?那是什么玩意儿?有挑战性吗?

卷毛用鄙視的眼光看着我们:“修叽是一种爱称,它的全名是修格斯!请让我来主导这次实验研究。”

(好吧,接下来请看卷毛的表演。)

修格斯简史

“那填满整个隧道的躯体向我们直扑下来,把慌乱的企鹅们尽数压碎,在已经由它和同类们清理得不留一粒灰尘、闪着邪异反光的地面上蜿蜒爬过。耳边又响起了那骇人的、嘲讽似的叫声:‘Tekel-lil T-ekeli-lil”

—H.P.洛夫克拉夫特,《疯狂山脉》

修格斯(Shoggoth),无定形的原生质怪物,1936年首次出现在美国小说家H·P·洛夫克拉夫特发表的小说《疯狂山脉》中,后成为克苏鲁神话体系中人气最高的怪物之一,甚至呢称“修叽”。按照该神话记载,克苏鲁可能有300米高,而修格斯则只有6米,两层楼那么高。很明显,如果非要从二者之间选择一个来制造,那么我选择修格斯。

修格斯是什么模样呢?它是一头恶臭的。有着黏稠表面的原生质怪物。它有一副无定形的身躯,你说它是什么形状,它就不是什么形状。这团两层楼高的原生质肿泡始终向前蠕动着、流淌着,闪着隐隐约约的微光。上万只发出绿光的眼睛不断在它的表面形成,接着又消失在那团物质里。

据说,它并不存在可见的细胞结构。其染色质始终支离破碎,悬浊地分布在原生质黏液里,没有分化为核小体或其他细胞器。

按照小说里的设定,修格斯的历史比我们所知所有地球生物都要永久,因为它们是由远古智慧种族“古老者”制造出来的,为的是在海底修筑超级都市。修格斯是水陆两栖的生物,为了执行主人给定的任务,它可以从体表随意生成各种器官或触手。比如要它下海,它便会长出鳃和鳍状的器官;让它修建工程,它们便会组合起来,形成更巨大的形体。

在漫长的劳役过程中,它们开始产生智力,反抗主人古老者。在大概二叠纪中叶(距今约2.99亿年~2.5亿年之间)的时候,靠着陆地生存能力的加持,它们一举将古老种族毁于一旦,古老种族退居海底,在地球表面找不到踪迹了。而修格斯成功融入了地球上大多数生态体系,它们的基因在现今很多生物体内都存在,甚至人类也可算是它们的后代之一……

学习黏菌的智慧

发现黏菌特质

按照那本小说里描写的内容,修格斯早于地球所知的一切生物(它甚至可能是地球上所有多细胞动物的前身),哪些部分融入了生物的基因也不确定,因此我们只能从进化树更“根基”的环节寻找参考对象,来再现这个生物。

起初,基于修叽可能百分之八十都是原生质,就好像史莱姆一样,我们也就钻了原生生物的牛角尖——寄希望于阿米巴变形虫。没错,它的细胞呈现不定形状,身体能随着变形而模拟出伪足,但是修格斯如此巨大的体型,肯定不是一个单细胞动物能支撑起来的。

此时我们发现了一个绝佳的候选:黏菌。

关于黏菌到底属于原生动物还是属于真菌,目前还有一些争议。一般来讲,我们将它视为真菌。黏菌的生活史分单倍体时期和二倍体时期。在单倍体时期,由两个单倍体细胞经过配子生殖形成二倍体的合子开始,一切就变得修格斯起来:

此时合子仍能进行有丝分裂,但这种有丝分裂十分特殊,细胞核分裂但细胞质不分裂,导致的结果就是生成一个拥有多细胞核,但是只有一团原生质的怪胎,称为“变形体”。变形体最大的甚至可能有1000万到1亿个核!可以想象,这种多核原生质团的外表会是什么样的奇怪形态。没错,这个原生质团可以将身躯铺得尽量扁平,并伸出“触手”,朝着食物的方向游动。它的行为与其说是在运动,不如说是通过分裂,把整个族群扩张得更像一个生物体,而这个行为的动力来源于肌动蛋白。

从希望到失望

更有意思的是黏菌的运动模式,有一种神经网络般的秩序感。日本科学家曾经利用黏菌避光、趋向食物的性质,做了一个大型的东京市沙盘,用照明、食物来模拟东京市的地形,然后把黏菌放在最中间。结果令人惊喜,黏菌的行走路线,竟然和真实的东京地铁线路图十分相像,甚至有些地方比已经有的东京线路还要合理!

真是高明的智慧,难道号召修格斯修筑大型城市有指望了?

说干就干,我们开始着手培养黏菌,为了充分发挥黏菌的运动能力,我们加入了足量的食物。但黏菌的运动模式令人失望,也许是黏菌的“智慧”自有一套自省的准则,它开始抑制自己的生存,即便我们加再多的营养剂都没有用。并且,它的运动速度太慢了,也只能把自己铺成浅浅的一层。

我们决定抛弃真菌,直接从更高等的生物入手。而这些生物中……最具有变形特质、实力不错、触手灵活的是什么呢?我们几乎是立即想到了头足纲的那些大乌贼、大章鱼什么的。

头足类的逆袭

这一次我们要引入更精密的基因工程,来操控章鱼的整个发育生物学过程。

首先,头足纲。长得很有特点,比如章鱼,与其说它是左右对称(一个对称轴),倒不如说它更接近辐射对称(近似地看,好像能多看出好几个对称轴)。无论是有多少对称轴,我们都要破坏这种秩序。让组织在某些不一样的地方,继续增殖。

这种肿胀、毫无秩序的身体结构,到底代表着怎样的发育模式呢?我们思索良久,只能拿修格斯的反面来逆向推理:那些体现大自然精准左右对称法则的动物,究竟有何不同。

拿起一只美丽的波士顿大龙虾,你会发现它有个特点:它的每个体节其实在没有本质的区别,无非是哪节长了螯足,哪节长了游泳足。

吃羊蝎子的时候,你也会发现这一点:以脊椎为根基,每一段有不同的作用,这里生长出胸腔,那里固定着肋骨,但本质上长得都差不多。人有33块脊椎骨,而蛇能把这种脊椎骨重复好几百次。

也就是说,节肢动物和脊椎动物的发育,正是在重复循环一些基本模块,并按照基因里编织好的需求,实现每个模块的定制化,却又不影响其他模块。这正是发育生物学的精髓所在。

这种定制过程有时会突破人们的想象:蜻蜒在水生蛹虫时期,体节有鳃结构,看起来只是一个小水虫。成熟上岸之后,它竟然能发育出两对巨大的翅膀。我们需要保留这种定制化的潜力,但抛弃整饬、沿身体前后轴依次排开的组合方式,让它们放飞自我,肆意生长。

修格斯的遗产

秘密在于是一类专门调控生物形体发育的基因——Hox基因,又称同源异型盒。当生物的胚胎开始分化,发育出肢体时,Hox基因负责协调肢体发育的顺序,按照正常的时间产生一系列级连反应,由脊柱到四肢,由肩膀到手臂,促成肢体的正常发育。

Hox基因在电影《湮灭》里出现过,就是它们产生了花花草草扭结成的人形,但电影讲错了。Hox基因的确可以简单理解成生物躯体的一个图纸,但并不是拥有了它就能把一切塑造成人类的外轮廓,它涉及许多基因序列的开关。我们可以在许多动物体内找到Hox基因,它们包含同一段约180个核苷酸的同源异型盒,可以转录出合有约60个氨基酸序列,就是这个神秘的基因家族在背后发号施令,把每一样动物,章鱼、果蝇乃至人类——塑造成它们应该拥有的样子。

有可能,在克苏鲁神话体系的前提下,Hox基因正是修格斯曾经在地球存在的证明!那些选择性开启关闭的基因开关,可能才是地球生物自身进化来的发育机制。(此处如果与正统科学相违背,请把锅甩给洛夫克拉夫特大神。)

明白这一点就好操作了,我们用CRISPR技术,把这些基因开关和Hox基因狂剪一番。另外,我们还研究了一些肢体会分叉的畸形章鱼,发现其中某些阻止特定位点肢体过度发育的基因也被抑制了。我们在实验体上,也抑制了这种基因。总体看来,我们希望它能长得像一挂葡萄,或者像一块不断分枝的花椰菜,当然最好的结果是,它就长成一团刚从泥浆里捞出来的样子。

陆上生存

但要命的问题来了,头足类没有肺脏,不可能在陆地上长时间生存。不能在陆地上生存,怎么推翻古老者的暴政,把它们赶入海底?

我们在Nature上的一篇论文中找到了出路。那个实验是用小鼠做的,他们发现小鼠心脏胚层中,有一群多功能干细胞。这种干细胞可以同时生成构成肺血管的平滑肌和构成心血管的平滑肌,只不过肺發育期间,会有一段时期抑制肺血管的形成。

这种干细胞之所以被进化出来,可能就是动物在适应陆地生活的表现——没有这种干细胞,肺血管就没法和心脏连接起来,形成一个完整的心肺循环系统。我们没有在章鱼体内找到这种干细胞,但没关系,我们可以把相关基因导入进去,让心脏表达出肺脏所需的血管!

与此同时,肺部制造也在紧张地进行着,我们需要一个人造肺。我们取了许多小鼠的肺部,用糖和洗涤剂洗了洗搓了搓,把肺里面的所有细胞和血液洗掉。这样,每个肺只留下了其中的蛋白质“骨架”。在胚胎的形成时期,我们会把修叽的干细胞放在肺的骨架里,寄希望于肺血管能完美地攀附其中,形成一个大致完整的肺脏,最后用手术把肺的开口和人工膈肌扎在一起,安在修叽身上。

无尽之眼_

在克苏鲁神话体系的记载中,修格斯还有一个极具辨识度的特点:它的身躯表面布满了密密麻麻的眼睛。

头足类的眼睛很奇妙。在人类为首的脊椎动物视网膜上,存在一个Bug:视网膜上的神经纤维长在感光细胞“前面”,相当于一个显示器的电路板在屏幕前面。这些神经纤维走线走成一个集束,大喇喇地挡在感光细胞之前,必然导致感光细胞有一块盲点。为了消除掉这个Bug,脊椎动物不得不进化出一个技能:用大脑的强大脑补能力补完这一块,让你意识不到盲点的存在,自己骗自己。

但章鱼就不一样!头足类动物的屏幕,恰好就在电路板前面,比人类的还要上道。

更奇妙的是,所有物种的眼睛其享一系列主控基因——和Hox基因一样,这也许是修格斯的第二个遗产,被称为“Pax-6”。发现这个基因的是发育生物学家瓦尔特·格林,其实他也是Hox基因的发现者之一。1995年,他把小鼠的Pax-6塞给果蝇,在显微镜下,恶心的一幕出现了,果蝇突然在它的腿上、翅膀上长出了完整的眼睛!而且不是小鼠的眼睛,而是果蝇式的复眼。

答案很明显了,我们要在章鱼身上重演这一幕。

不可预料的结局

我们选取了水蛸——章鱼的一种,用基因工程编辑了它们的受精卯,塞进卯膜。这颗受精卵将在卵膜中度过孵化期,孵化期将近时,胚胎会分泌一种孵化酶将卯膜软化,再从卵膜内孵出。

我们造了一个不到一立方米的白色泡沫箱,用来装配海水。然后我们坐等孵化。

在胚胎生成的第20天,已经能见到晶体在生成。又过了5天,视网膜色素细胞开始形成了,黄色素沉积成一块一块的,数了一下大致有七处眼睛。两天后,这些眼睛被刚刚生成的角膜覆盖。再过两天,它就会破卵而出了。

修叽破卵的那天,我们实验室成员开香槟庆祝,香槟是我们一个叫阿毛的硕士拿来的。

庆祝很快结束,因为后续也不能闲着——我们需要立刻把肺脏之类物件安装到修叽身上。它的眼睛睁开,视神经结节在体内强力地活动着,新装上的肺脏很快就开始呼吸,并且通过手术和头足纲的闭管循环连接妥当。它的七只眼睛看来看去,但触手很有操守地仍然表现为八条。

这时候修叽还只是小规模。它长的时候50厘米长,短的时候35厘米左右,会努力地爬高,表现出一些章鱼的捕食行为。为了实现更多功能,我们还需要用慢病毒等载体试试转载更多基因进去,但那是后话,现在我们一心想让它健康成长。

又过了三天,修叽的体型已经变得巨大,不再是以往萌萌的模样。我们看到它的触手数目多了一倍,一些研究员开始后悔并且呕吐了。那些触手长出了新的眼睛,一些旧的眼睛坏死了,被它分泌的自体酶分解殆尽。

我们不得不重振人心,在地下车库建了一个更大的人工海水箱,让它肆意生长。它的肺需要更大,我们连夜赶制了几个猪肺,调配更多的养料。

仅仅过了一天,修格斯呼吸不畅。正好我们得到一头搁浅死亡的大型灰鲸,有13米长。我们把它解剖后,拿它的肺如法炮制了一个更大的人工肺脏,发现意外地适合于这种水陆两栖的生物。因为鲸类在水面换气能用1~2秒的时间完成,除了主导呼吸的肌肉发达之外,大概与肺脏本身的品质也有关系。

与此同时,我们在地下车库上了两道锁,进门第一道是指纹解锁,第二道是虹膜解锁。研究员轮流值班,并且从外面预定了武装良好的保安。

第二天保安还没到,就出事了。那天是拿来香槟的阿毛值班,他换班的时候迟迟不上来,我们赶紧下地下车库去找,就没有找到我们的阿毛了。他的白大褂和鞋子还留在那里,人已经不见了,修叽也不见了,车库空空荡荡,地上满是吸盘的痕迹。

两道门都是关闭的,但明显被开启过一次,你问我为什么那么确定呢?因为刷指纹的界面,只剩下一只血淋淋的人类掌印。至于那道验证虹膜的门,我们只能苦笑,永远不会知道修叽是怎么打开的了,只是有些同事想起修嘰可以在自己身上安装或生成器官这事,立马蹲下吐了起来。

我们找修叽和阿毛找到太阳落山,海面变成深沉压抑的黑色。我们可能永远不会发现修叽带阿毛去的地方了,我们只能听到涛声不断地拍打着这座实验室。

在制造修叽的实验中,我们选取的大部分都是目前已经有的技术:例如取动物肺脏的蛋白组织,加入干细胞培养出有活力的肺,在实验室中已经有成功先例,并且已经转移到了猪的肺脏上。但一些大刀阔斧的改造,最终竟然真的能够造出一个怪物来,现在想来还是过于“幸运”了。

比如大块敲除卵母细胞或者受精卯中的Hox基因,用已有的CRISPR-Cas9技术已经不难做到,难的其实是产品的成活率。

在真实世界中,有这么一个容易被人忽略的事实:大型农场是最容易出现“畸形生物”的地方。三条腿的鸡、两条腿的羊……原因说起来也简单,因为农场的群体基数比一般地方要大,密度也更集中。

但真要从头专门去培养一个畸形的生物,却真的比偶遇要麻烦得多。Hox基因是一个分布于各个染色体的大家族。少量敲除一部分,很可能得到一些奇异的结果:果蝇的前足变成了翅膀,背部和腹部翻转过来等等。但大量敲除这类基因的结果,是我们必须有足够的基数来对抗微弱的成活率。

生物的发育,归根结底是一个极其复杂的过程,蓝图并非一下子就能修改成功。尤其是造出这样一个扭曲、不规则的生物,仅仅是其生物组织承受的应力,就并非海中的低重力环境可比。

用Pax-6造出眼睛的组织,也并不意味着它就能通过视神经与大脑皮层完美地连接起来。说起那颗大脑,虽然章鱼的大脑比很多无脊椎动物都要发达,但拿起别人的手来打卡这个动作,也太过诡异了吧!

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