用数字生物验证进化论

　　《科学与生活》杂志近日撰文披露,美国的研究人员现在正依靠计算机验证达尔文的进化论，而这种尝试在以前根本就是难以想像的。数字生物研究为我们提供了观察几百万代生物随机突变和自然选择的可能,数字生物的进化过程为我们回答某些重大进化问题提供了诸多启迪。

“生活”在计算机中的生物

        数字生物的繁殖速度比普通细菌的繁殖要快成千上万倍，这一事实为解开有关进化的一些未解之谜提供了新的思路。

        如果想看看外星生物是什么样子的，你不用到土星的卫星上去,你只需要乘飞机到美国密歇根州的东兰辛去一趟就能满足愿望了。

        东兰辛的外星生物不是由碳水化合物构成的，它们身上没有DNA。在密歇根州立大学的植物与土壤科学大楼中，几十亿这样的生物正静静地生活在200多台计算机中。要想对它们的世界有所了解，你得到几个街区以外的威尔森大街去参观一下工程系的数字进化实验室。在这里，你会看到许多计算机科学家、生物学家，甚至还能看到一两位哲学家。他们一个个都盯着计算机的显示器，正在观察那些奇异新生物的进化情况。

        这些生物就是数字生物，和计算机病毒一样，它们是一系列命令,每一个生物都能在几分钟之内复制出好几万个。然而，和计算机病毒不同的是，它们是由二进制数字构成的，能以和DNA突变相同的方式产生突变。通过一个被称为“阿韦达”的软件程序，研究人员可以从显示器上观察到一代代数字生物从出生到死亡的生命过程。

        经过十多年的发展，阿韦达数字生物已经非常接近真正意义上的生物了。        数字生物做得相当出色的一个方面是进化。“阿韦达并不是在模拟进化，它确实是在进化，”密歇根州立大学哲学家、阿韦达研究小组成员皮诺克说，“达尔文进化过程的几个核心部分它一个不少。它们复制、突变，相互之间也有竞争,自然选择过程在这里都可以找到。”

        用谈论樱桃树或海豚等动植物的方式谈论计算机编码，听起来似乎很奇怪。但是，生物学家对生命的思考越多，这个问题就显得越有意义。计算机程序和DNA都是发出命令的装置,计算机程序告诉计算机如何处理信息、DNA告诉细胞如何聚合蛋白质。

        克里斯·阿达米是数字进化实验室主任奥弗利亚在加利福尼亚大学上学时的导师。20世纪90年代末，他开始通过计算机制造一些低级数字生物，并定期给它们输入数字。最初，它们没有任何反应，但是数字生物每复制一次，其指令链上的某个指令就有一次产生突变的机会。有时，这些突变会使生物体以同样简单的方式加工其中的某个数字，例如某个生物体可能会生成阅读某个数字和生产相同数字的能力。

        在前往密歇根州的一次旅行中，阿达米认识了研究细菌进化的微生物学家理查德·伦斯基，后来，阿达米寄给伦斯基一套阿韦达软件，让他自己做试验。在一个星期五，伦斯基把阿达米程序装到计算机上，开始了对数字世界的创造。到了星期一，他完全被这个新世界吸引住了，于是，他暂时关闭了自己的实验室，全身心投入到对阿韦达的研究之中。

        这一试验也是伦斯基自身研究项目的一个写照，他的研究始于1988年，是目前投入时间最长的进化研究。他最早是由一种细菌——大肠杆菌入手的，细菌培养在一种营养贫乏的葡萄糖中。从大肠杆菌的后代身上，他发现了12个不同的菌落。他的发现为生物的最新进化方式提供了动因。在过去17年中，这些菌落已经经历了3.5万代。在这一进化过程中，它们实实在在地体现了自然选择的真实性。所有12个菌落的进化程度都相当高，复制程度几乎都是它们祖先的两倍。同时，细菌细胞的体积也增长了一倍。令人感到惊奇的是，这些变化经历的并不是一个平缓的线状过程。相反，每个菌落的进化都具有突然性，它们经过了千百代的微小变化，也经历了更多的突发性进化。

        阿韦达数字生物的进化也具有相同模式。于是，伦斯基为他的菌落建立了数字进化模型，并由此开始了对数字菌落的研究。他一直都对阿韦达的适应性和进化速度惊叹不已，利用数字生物的这些特性，他不仅只需在键盘上按几下就能改变试验条件，而且他还能使每个生物的每次突变都自动记录下来。

        阿韦达科研小组现在正依靠这一新式武器验证达尔文的进化论，这种事在以前根本就是难以想像的。现代进化生物学家有大量化石可供研究，他们也可以用现有物种的生化和基因机制与人进行比较，但是，他们看不到每一代以及每一个基因的进化过程，例如鸟是如何从它的祖先——两条腿的恐龙那里进化而来的。而阿韦达数字生物则不然，它为我们提供了观察几百万代数字生物随机突变和自然选择的可能。数字生物的进化过程为我们回答某些重大进化问题提供了诸多启迪。

为何要优化

        人类社会之所以存在，靠的是每个人的奉献和人与人之间的相互合作,但这并不足以使我们与其他动物区别开来。以伦斯基和他的同事研究的一种被称为黄粘球菌的细菌为例，它们总是集体行动，结成10万之众的庞大团队，像狼追逐鹿一样捕猎大肠杆菌。它们通过喷吐抗生素来杀死猎物，并喷吐出消化酶使大肠杆菌裂开，然后便会对着那些尸体饱餐一顿。如果黄粘球菌群感觉到没有猎物可以捕杀，它们就聚集在一起形成一个柄。在柄的最顶端，细菌变成了孢子。

        这种合作形式让人感到困惑，因为合作可能遭到“骗子”的破坏。一些细菌可能会不劳而获，它们吃同伴杀死的猎物，却为了节省能量而不喷出抗生素或酶。还可能有些细菌只以某种方式进化，以保证自己最后总能变成孢子，而不是成为留在死柄上的牺牲品。这种情况并非理论上的假设，伦斯基和他的同事在进化试验中发现了这样的“骗子”。

        阿韦达研究组现在正准备创造新命令，以揭开生物合作的谜题。新命令将使生物体能相互交换信息，“一旦让它们之间有了交流，我们就能使它们合作起来解决进化问题吗？”奥弗利亚表示了自己的疑惑，“我们可以建立一种信息经济，在这种体制下，生物体要向服务于自己的另一个生物体提供报偿。”

        奥弗利亚认为，如果数字生物能够合作，它们有可能解决真实世界的计算问题，因为它们的合作形式和黄粘球菌群袭击猎物的方式是一样。奥弗利亚说：“我认为我们能够解决更加复杂的问题，因为我们不需要知道如何使这些生物分解开来，它们必须自己算出结果。我们将使许多计算的面孔发生真正的改变。”

寻找新的生命存在方式

        地球生命赖以生存的基础是DNA,但我们也并不能排除如下可能，即生命也可以由完全不同的分子系统进化而来。这又为目前的寻找外星生命工作提出了难题。为寻找外星生命，美国航空航天局投入了大量资金，不但向火星发射了飞船，还制造了能用于观察遥远太阳系的望远镜。他们一直在寻找与地球生命类似的生命迹象,还有人在寻找DNA或细胞壁的片段。但是，如果那里有不是基于DNA而存在的生命，我们便会对其视而不见，因为这样的生命不符合我们的预想。

        加州理工学院克里斯·阿达米实验室的埃文·多恩说：“我们能看到已知生命形式是如何在它们的环境中留下痕迹的，但我们永远不会对整个宇宙的生物做出任何描述，因为我们只有一个例证。”

        多恩说，阿韦达数字生命算是第二个例证。他认为，通过寻找地球生命和数字生命的共有模式，他们有可能为寻找外星生命提供某些思路。

        有研究者提出，寻找生命迹象的最好方式是寻找超自然的化学现象,生命的进化过程是由某些大氨基酸构筑的。但多恩说：“在没有生命的地方，化学现象有一定的局限性。”

        但如果另一个星球上的生命制造的是与氨基酸完全不同的物质，那又将会是一种什么样的情形呢？这样的物质会以与氨基酸相同的方式改变那个星球的化学现象吗？为验证这种假定，多恩制造了一个没有生命的世界。在这个世界中，每个细胞都不含有自我复制程序，但都包含化合物的随机组合程序。在阿韦达语言中，所有化合物都以相同的水平出现,这个世界具有无生命星球的特征。

        然后，就像孢子降临地球一样，多恩开始往这个世界中投放生物体。在试验初期他设定了很高的突变率，所以星球上孢子的复制时间都不是很长。随后，他把突变率降了下来，直到生命能够生存。

        多恩发现，在数字生物进化和适应这个世界时，一些命令变得难觅踪迹，而另一些则变得越来越常见。只要这个世界上有生命存在，这种鲜明的特点就会一直保持下去。还有，不管多恩将这个试验重复多少遍，都会出现相同的生命特征。不管试验中我们的操作对象是氨基酸还是计算机命令，似乎生命都能留下相同的标记。多恩说：“我们似乎可以从中得出这样的结论，即这样的生命过程具有普遍性。”

生命的适应性无人阻挡

        生命的特征之一是，在我们竭力想控制它的时候，它依然具有进化的能力。例如，抗生素就曾一度被认为是根除传染病的法宝。可仅仅在几十年的过程中，细菌已经进化出了一个防御武器库，使许多抗生素失去了作用。

        奥弗利亚发现，数字生命还具有让其上当受骗的能力。不久前，他想看看如果使数字生物失去了适应性将会发生什么。每当一个生物体发生突变时，他就会对其进行一次特别检验，看是否是有益突变。如果是有益突变，他就会杀死这个生物体。他说：“你可能会认为，这样做会阻断任何适应性进化。”但事实并非如此，数字生物继续保持了它们的进化过程。它们学会了用新的方式处理信息，并且复制得更快了。过了很长一段时间，奥弗利亚才意识到它们在欺骗他。它们已经进化出了一种本事，通过观察奥弗利亚给它们喂食的数字就能知道他什么时候要对它们进行检测。一旦它们意识到将要接受检测，它们就会停止对数字的处理。奥弗利亚说：“如果是一次环境检测，它们便说：‘我们装死。’因为不装死它们就会丧命，所以它们要避免死亡，延续自己的生命。”

        当奥弗利亚叙述这一进化奇迹时，语气中充满了敬佩与无奈：“我敢说阿韦达是个了不起的系统，在这里你可以运用自己的所有知识、可以控制任何你想控制的东西，但是我无法阻止生物的适应性。生命总是能为自己找到出路的。”

        一想到在密歇根州立大学的校园中藏匿着这样一群以数据为食、适应性极强的生物，总会让人感到一丝不安。阿韦达研究组的工作应该在隔离状态下进行吗？伦斯基认为，阿韦达研究项目本身就是一个与世隔绝的环境，因为那里的生物只能在计算机语言中生存。他说：“它们生活在一个完全不同的世界中，它们可能是来自火星的掠食者，但在这里它们终将死亡。”此外，奥弗利亚还承认，有害的计算机病毒可能最终会像这些笼中的数字生物一样产生进化功能。他说：“总有一天会发生这种事情，那将是相当可怕的一种情形,看来我们需要加紧研究、及早找到应对之策。”