垃圾堆里會(huì)進(jìn)化出“吃“塑料的生物嗎？| kiwi問

垃圾堆里會(huì)不會(huì)進(jìn)化出“吃”塑料的生物？我們有可能教會(huì)黑猩猩人類的生活方式和語言嗎？屎殼郎是怎么滾糞球的？

打開我們的腦洞，就能提出數(shù)不勝數(shù)的與生命科學(xué)有關(guān)的小問題。我們也為此開設(shè)這一欄目，為大家搜尋這些有趣的小問題，并用現(xiàn)有的最新科學(xué)研究，來嘗試給大家解答。

1

如果有一個(gè)存在了上億年的垃圾堆，會(huì)進(jìn)化出吃塑料的生物嗎？

答案是肯定的，甚至更加快：生物進(jìn)化可能遠(yuǎn)比你想象的要快，根本不需要上億年。

首先，垃圾堆早就存在了，不用說“如果”。

過去七十年，塑料制品的數(shù)量只增不減。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塑料的生產(chǎn)在過去七十年間從每年200萬噸到現(xiàn)在每年有3.8億噸，雖然其中不少會(huì)去特別處理，但是每年仍然約有900-1400萬噸塑料會(huì)因?yàn)楦鞣N原因被排入海洋中。

印度尼西亞巴厘島海灘上出現(xiàn)的塑料垃圾 | 圖源：Anadolu Agency

拋開環(huán)保的因素，我們回到問題本身：這每年成噸的垃圾傾倒到自然界中，就是一個(gè)“自然”的垃圾堆演化發(fā)生地了。

但是，不需要上億年嗎？因?yàn)檫M(jìn)化的時(shí)間單位是“代”數(shù)，而不是時(shí)間。

我們高中課本學(xué)過，進(jìn)化的基本單位是種群而不是個(gè)體，而種群要怎么傳遞他們的遺傳信息呢？需要通過交配與繁殖。所以當(dāng)我們計(jì)算一個(gè)種群進(jìn)化的時(shí)間時(shí)，相對(duì)于我們理解的時(shí)間概念，從父母到子子孫孫這樣一代又一代的“代”數(shù)，是一個(gè)更合適的時(shí)間單位。

舉個(gè)例子，假設(shè)人類平均生殖的年齡是20歲（這里僅僅是假設(shè)），那么一百年里人類群體只會(huì)出現(xiàn)5代的遺傳信息傳遞。但是細(xì)菌呢？昆蟲呢？大腸桿菌繁殖一代只需要20分鐘，果蠅繁殖一代只需要大約10天，這就意味著在相同時(shí)間里，它們的代數(shù)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類。

不同細(xì)菌繁殖所需要的時(shí)間，都是以分鐘為單位的

| 圖源：Wikipedia

所以我們?nèi)フ夷芙到馑芰系奈锓N，比如微生物、昆蟲，它們所需要的時(shí)間完全不需要上億年，幾十年的演化，再加上環(huán)境帶來的強(qiáng)選擇（如果以塑料為食，那就是和生存直接掛鉤了，選擇的作用就會(huì)非常強(qiáng)），對(duì)它們來說已經(jīng)是一個(gè)足夠長的時(shí)間了。

其實(shí)微生物能吸收塑料的道理也不復(fù)雜：生物關(guān)鍵需要的物質(zhì)除了水之外，是碳和氮。而塑料中具有的物質(zhì)比如塑料袋里的聚乙烯 [PE]、食品包裝用的聚丙烯 [PP]、飲料塑料瓶的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 [PET]等等，都是含有碳元素的，本身就是可以作為微生物的碳源，需要的是關(guān)鍵的蛋白酶，來將這些分子降解，就可以達(dá)到塑料吸收的目的了。

但是幾十年的演化實(shí)驗(yàn)很難做，最直接的方法就是觀察。

2016年，日本科學(xué)家從塑料瓶回收站里發(fā)現(xiàn)并分離出了一種可以降解PET的微生物新種，Ideonella sakaiensis，它含有可以降解PET的關(guān)鍵酶（PETase和MHETase），通過2-3步的生化反應(yīng)就可以將PET降解為對(duì)苯二甲酸[TPA]和乙二醇[EG]，也就實(shí)現(xiàn)了PET的降解了。

Ideonella sakaiensis 降解PET的過程 | 圖源：Yoshida S, et al. Science, 2016.

而后的發(fā)現(xiàn)則是在昆蟲的腸道菌群。不少昆蟲要食用植物，纖維素的降解往往很依賴它們體內(nèi)的微生物，而當(dāng)昆蟲開始吃塑料的時(shí)候，它們體內(nèi)微生物也在被選擇：在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了印度飛蛾的幼蟲體內(nèi)含有可以降解聚乙烯[PE]的兩種腸道細(xì)菌，這些細(xì)菌可以很好的在PE薄膜（也就是塑料袋）上生長。黃粉蟲的研究則更加豐富——能夠降解PE、聚苯乙烯PS的腸道細(xì)菌都被依次發(fā)現(xiàn)。

昆蟲腸道菌群，是一項(xiàng)很有意思也很有意義的研究 | 圖源：Jang S, Kikuchi Y. Current Opinion in Insect Science, 2020.

還有一類叫蠟蛾（Galleria mellonella）的昆蟲，它們往往會(huì)以蜜蜂不要的蜂蠟為食，而蜂蠟的結(jié)構(gòu)和PE很相似?？茖W(xué)家利用抗生素消除蠟蛾幼蟲體內(nèi)的大腸桿菌發(fā)現(xiàn)，蠟蛾自己就可以消化PE，但腸道菌群可能也會(huì)起到促進(jìn)作用。

蠟蛾體內(nèi)的代謝過程 | 圖源：Kong H G, et al. Cell Reports, 2019.

還有的研究更絕：觀察進(jìn)化是吧，一個(gè)個(gè)觀察太慢了，干脆一口氣全觀察了。研究者采集了世界上兩百多個(gè)地方的環(huán)境DNA，再結(jié)合能降解10種塑料分子的30000多種酶序列的數(shù)據(jù)庫，在海洋中發(fā)現(xiàn)了12000多種塑料降解酶，在土壤中發(fā)現(xiàn)了18000多種塑料降解酶，這其中絕大部分，都是科學(xué)家們從未看到的。

回到開頭，這樣的進(jìn)化完全不需要上億年，在如今海洋和土壤的“垃圾堆”里，類似的生物已經(jīng)成千上萬種了。而回到進(jìn)化理論本身來看，也許這些能降解塑料的酶只是偶然突變產(chǎn)生的，但是當(dāng)無時(shí)無刻的選擇發(fā)揮作用時(shí)，偶然，也就成為了必然。

2

如果讓科學(xué)人員從小養(yǎng)育一只黑猩猩嬰兒，能引導(dǎo)它以人類的方式和思維生活嗎？

這個(gè)問題很有意思，其實(shí)這個(gè)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物行為學(xué)家們很早就開始做了，只不過他們沒有穿戴黑猩猩外衣，而是將黑猩猩當(dāng)人一樣培養(yǎng)。

從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，部分動(dòng)物行為學(xué)家開始了一項(xiàng)嘗試：教會(huì)黑猩猩手語。理由很簡單：語言能力是人類獨(dú)有的，也只有語言的形成，才使得人類的社會(huì)不斷壯大，個(gè)體之間得以溝通。那么，和我們600萬年前有著共同祖先的黑猩猩，能不能做到呢？

1966年，一只叫Washoe的雌性黑猩猩在十個(gè)月大的時(shí)候被帶到了Gardner夫婦的實(shí)驗(yàn)室里開始了自己的生活。Gardner夫婦給這只黑猩猩營造了一份和人類嬰兒無異的環(huán)境：讓她穿人類的衣服，和人類一起吃飯、刷牙，可以自由地穿衣服、用梳子、玩玩具，還有屬于自己的都有空間。同時(shí)她還要做家務(wù)、在戶外玩耍、和“家人”一起坐車……

黑猩猩Washoe

在這個(gè)“人類環(huán)境”基礎(chǔ)上，Gardner夫婦開始慢慢嘗試教Washoe手語：之所以不是直接教說話，是因?yàn)橹耙呀?jīng)有過好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目想教黑猩猩講話都以失敗告終——很大的原因是黑猩猩的聲帶結(jié)構(gòu)和人很不一樣，很多聲音發(fā)不出來。

結(jié)果幾年之后，Washoe學(xué)會(huì)了很多手語單詞：Washoe在其一生學(xué)會(huì)了350個(gè)英語單詞，并且還能用這些單詞進(jìn)行溝通，甚至在這些單詞的基礎(chǔ)上通過組合構(gòu)建新的單詞。同時(shí)Washoe還表現(xiàn)出比如自我意識(shí)（看著鏡子會(huì)說“我，Washoe”）、共情意識(shí)（得知看護(hù)人流產(chǎn)后說“哭”）等等，這第一只學(xué)會(huì)手語的黑猩猩，帶給科學(xué)家們太多驚喜：會(huì)語言的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止人類，黑猩猩也可以說話。

Washoe在學(xué)手語

同時(shí)，學(xué)會(huì)語言的遠(yuǎn)不止黑猩猩。后來，不同的研究者還教會(huì)了大猩猩、倭黑猩猩手語的能力，他們也都表現(xiàn)出對(duì)語言認(rèn)知的能力。

但這也不是說明黑猩猩有著能完全掌握語言的能力。在Washoe之后對(duì)另一只黑猩猩Nim的培訓(xùn)中，研究者通過視頻發(fā)現(xiàn)，Nim表達(dá)的手語很可能更傾向于一種訓(xùn)練的結(jié)果：它并不能真正理解這個(gè)詞的意思，只是在模仿。（當(dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)也有另一個(gè)問題，Nim開始訓(xùn)練的時(shí)候已經(jīng)成年，和Washoe的情況又有所不同）

黑猩猩Nim

我們?cè)偬鲂袨閷W(xué)家的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，回到黑猩猩自己本身，它們有沒有學(xué)會(huì)語言的可能呢？

有研究者觀察了野外的黑猩猩，在五千多次的黑猩猩手勢(shì)交流中，研究者歸納出了黑猩猩交流的66種手勢(shì)，可以表達(dá)19條特定的語言信息——但這和人類千變?nèi)f化的語言能力相比，顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

同時(shí)我們也知道人類大腦體積遠(yuǎn)大于黑猩猩，這也隱隱暗示了人類可能有的更高認(rèn)知能力；而目前已知的與語言相關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵腦區(qū)——Broca區(qū)和Wernicke區(qū)——都是人類所特有的，并且表現(xiàn)出了左右腦不對(duì)稱性……至少從我們已知的神經(jīng)解剖上，黑猩猩無法完整學(xué)會(huì)像人類這樣的語言。

所以，引導(dǎo)黑猩猩嬰兒學(xué)會(huì)手語，一起吃飯生活這是可以實(shí)現(xiàn)的，但是能不能真正產(chǎn)生像人類一樣的文明社會(huì)，或者融入人類社會(huì)中，這就很難做到了。

3

為什么屎殼郎能把糞球推那么圓？

首先，任何生物問題是一個(gè)進(jìn)化問題：那屎殼郎最早是怎么推糞球的？屎殼郎是一種金龜子科的昆蟲，這一科里的昆蟲有的以推糞球?yàn)槭常ǜ承裕?，有的則是以植物為食（植食性）。

研究者通過化石和基因組的推測(cè)分析，可以發(fā)現(xiàn)像屎殼郎這樣一類的腐食性金龜子可能出現(xiàn)在1.19-1.3億年前，最晚也是8500萬年前。而那個(gè)時(shí)候還是恐龍稱霸的時(shí)代（哺乳動(dòng)物的輻射進(jìn)化在6000-8000萬年，所以屎殼郎推的糞主要應(yīng)該是恐龍糞），因此那時(shí)候的屎殼郎推的糞球和現(xiàn)在屎殼郎推的糞球可能大不相同：爬行動(dòng)物（尤其是鳥類）與哺乳動(dòng)物的糞便成分很不一樣（比如現(xiàn)代來看，鳥類的糞便尿素含量會(huì)更高，糞便中物質(zhì)代謝的程度也更低），含有的營養(yǎng)物質(zhì)也不一樣。

所以屎殼郎從哪學(xué)會(huì)推糞球這個(gè)問題，還是有很大爭(zhēng)議的。但至少可以發(fā)現(xiàn)，恐龍?jiān)跀?shù)千萬年前的大滅絕，肯定是大大影響了屎殼郎們的飲食環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致群體的進(jìn)化發(fā)生了一定的改變。

但是具體是怎么推的呢？這方面的研究，則更像是一個(gè)仿生學(xué)問題：昆蟲是怎么行走的？通過研究昆蟲行走的模式，我們就可能對(duì)復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)、運(yùn)輸有更好的認(rèn)識(shí)。那屎殼郎的行為，當(dāng)然是研究球體（糞球）運(yùn)輸?shù)淖罴训浞独瞺

屎殼郎搬運(yùn)過程中的圖示：A側(cè)視圖，B俯視圖，C連續(xù)側(cè)視圖，其中黃紅綠點(diǎn)依次表示了它的前中后腿的位置

可以看到，屎殼郎推的時(shí)候，首先要前腳用力，通過推動(dòng)地面來產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力；同時(shí)，它的中腿和后退會(huì)穩(wěn)穩(wěn)地扶住糞球，然后以一定的規(guī)律循環(huán)往復(fù)地運(yùn)動(dòng)。

屎殼郎轉(zhuǎn)動(dòng)的模式圖

其中，前腿以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)著“站立-踩住地板-推”這樣的動(dòng)作，來維持動(dòng)力需要；中腿和后退則是以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，跟隨著糞球的運(yùn)動(dòng)也時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)著，并且中腿和后腿的轉(zhuǎn)動(dòng)在方向上會(huì)有一定的區(qū)別：要是方向完全一致可能兩條腿就打架了，這可能就需要維持一個(gè)平衡的運(yùn)動(dòng)。

三條腿轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡圖

進(jìn)一步觀察，研究者總結(jié)了屎殼郎推糞球的四條基本規(guī)則：

1. 前腳著地，并且左右交替著地，這樣能確保動(dòng)力持續(xù)存在；

2. 中腿的運(yùn)動(dòng)軌跡，和對(duì)側(cè)后腿的運(yùn)動(dòng)軌跡相似，應(yīng)該是同步的進(jìn)行能確保平衡；

3. 同一側(cè)的中腿和后腿往往不會(huì)同時(shí)抬起來，左右的中腿或者后腿也很少同時(shí)抬起來；

4. 中后腿之間有著明顯的協(xié)調(diào)循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程。

同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，前腿的運(yùn)動(dòng)和中后腿的運(yùn)動(dòng)往往是相互孤立的：這也好理解，執(zhí)行的功能完全不一樣，兩套獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)對(duì)于不同糞球、不同地形的控制肯定自由度也更高一些。

六條腿的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄與研究，可以和前面的四條規(guī)則對(duì)應(yīng)起來看

在這六條腿的配合下，屎殼郎也就能將糞球越滾越圓越滾越大了。

如果你也有神奇的生命科學(xué)小問題，也歡迎關(guān)注我們，并在后臺(tái)留言，我們會(huì)挑選最有意思，且有一定研究成果的問題來給大家解答！

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