垃圾堆里會進化出“吃“塑料的生物嗎？| kiwi問

垃圾堆里會不會進化出“吃”塑料的生物？我們有可能教會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，就能提出數不勝數的與生命科學有關的小問題。我們也為此開設這一欄目，為大家搜尋這些有趣的小問題，并用現有的最新科學研究，來嘗試給大家解答。

1

如果有一個存在了上億年的垃圾堆，會進化出吃塑料的生物嗎？

答案是肯定的，甚至更加快：生物進化可能遠比你想象的要快，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，塑料制品的數量只增不減。據統計，塑料的生產在過去七十年間從每年200萬噸到現在每年有3.8億噸，雖然其中不少會去特別處理，但是每年仍然約有900-1400萬噸塑料會因為各種原因被排入海洋中。

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

拋開環保的因素，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“自然”的垃圾堆演化發生地了。

但是，不需要上億年嗎？因為進化的時間單位是“代”數，而不是時間。

我們高中課本學過，進化的基本單位是種群而不是個體，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。所以當我們計算一個種群進化的時間時，相對于我們理解的時間概念，從父母到子子孫孫這樣一代又一代的“代”數，是一個更合適的時間單位。

舉個例子，假設人類平均生殖的年齡是20歲（這里僅僅是假設），那么一百年里人類群體只會出現5代的遺傳信息傳遞。但是細菌呢？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間里，它們的代數會遠遠高于人類。

不同細菌繁殖所需要的時間，都是以分鐘為單位的

| 圖源：Wikipedia

所以我們去找能降解塑料的物種，比如微生物、昆蟲，它們所需要的時間完全不需要上億年，幾十年的演化，再加上環境帶來的強選擇（如果以塑料為食，那就是和生存直接掛鉤了，選擇的作用就會非常強），對它們來說已經是一個足夠長的時間了。

其實微生物能吸收塑料的道理也不復雜：生物關鍵需要的物質除了水之外，是碳和氮。而塑料中具有的物質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，需要的是關鍵的蛋白酶，來將這些分子降解，就可以達到塑料吸收的目的了。

但是幾十年的演化實驗很難做，最直接的方法就是觀察。

2016年，日本科學家從塑料瓶回收站里發現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的關鍵酶（PETase和MHETase），通過2-3步的生化反應就可以將PET降解為對苯二甲酸[TPA]和乙二醇[EG]，也就實現了PET的降解了。

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

而后的發現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的微生物，而當昆蟲開始吃塑料的時候，它們體內微生物也在被選擇：在實驗室中發現了印度飛蛾的幼蟲體內含有可以降解聚乙烯[PE]的兩種腸道細菌，這些細菌可以很好的在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的腸道細菌都被依次發現。

昆蟲腸道菌群，是一項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，它們往往會以蜜蜂不要的蜂蠟為食，而蜂蠟的結構和PE很相似。科學家利用抗生素消除蠟蛾幼蟲體內的大腸桿菌發現，蠟蛾自己就可以消化PE，但腸道菌群可能也會起到促進作用。

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

還有的研究更絕：觀察進化是吧，一個個觀察太慢了，干脆一口氣全觀察了。研究者采集了世界上兩百多個地方的環境DNA，再結合能降解10種塑料分子的30000多種酶序列的數據庫，在海洋中發現了12000多種塑料降解酶，在土壤中發現了18000多種塑料降解酶，這其中絕大部分，都是科學家們從未看到的。

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

2

如果讓科學人員從小養育一只黑猩猩嬰兒，能引導它以人類的方式和思維生活嗎？

這個問題很有意思，其實這個行為學實驗動物行為學家們很早就開始做了，只不過他們沒有穿戴黑猩猩外衣，而是將黑猩猩當人一樣培養。

從上個世紀70年代開始，部分動物行為學家開始了一項嘗試：教會黑猩猩手語。理由很簡單：語言能力是人類獨有的，也只有語言的形成，才使得人類的社會不斷壯大，個體之間得以溝通。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月大的時候被帶到了Gardner夫婦的實驗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。同時她還要做家務、在戶外玩耍、和“家人”一起坐車……

黑猩猩Washoe

在這個“人類環境”基礎上，Gardner夫婦開始慢慢嘗試教Washoe手語：之所以不是直接教說話，是因為之前已經有過好幾個實驗項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構和人很不一樣，很多聲音發不出來。

結果幾年之后，Washoe學會了很多手語單詞：Washoe在其一生學會了350個英語單詞，并且還能用這些單詞進行溝通，甚至在這些單詞的基礎上通過組合構建新的單詞。同時Washoe還表現出比如自我意識（看著鏡子會說“我，Washoe”）、共情意識（得知看護人流產后說“哭”）等等，這第一只學會手語的黑猩猩，帶給科學家們太多驚喜：會語言的遠遠不止人類，黑猩猩也可以說話。

Washoe在學手語

同時，學會語言的遠不止黑猩猩。后來，不同的研究者還教會了大猩猩、倭黑猩猩手語的能力，他們也都表現出對語言認知的能力。

但這也不是說明黑猩猩有著能完全掌握語言的能力。在Washoe之后對另一只黑猩猩Nim的培訓中，研究者通過視頻發現，Nim表達的手語很可能更傾向于一種訓練的結果：它并不能真正理解這個詞的意思，只是在模仿。（當這個實驗也有另一個問題，Nim開始訓練的時候已經成年，和Washoe的情況又有所不同）

黑猩猩Nim

我們再跳出行為學家的這個實驗，回到黑猩猩自己本身，它們有沒有學會語言的可能呢？

有研究者觀察了野外的黑猩猩，在五千多次的黑猩猩手勢交流中，研究者歸納出了黑猩猩交流的66種手勢，可以表達19條特定的語言信息——但這和人類千變萬化的語言能力相比，顯然遠遠不足。

同時我們也知道人類大腦體積遠大于黑猩猩，這也隱隱暗示了人類可能有的更高認知能力；而目前已知的與語言相關的兩個關鍵腦區——Broca區和Wernicke區——都是人類所特有的，并且表現出了左右腦不對稱性……至少從我們已知的神經解剖上，黑猩猩無法完整學會像人類這樣的語言。

所以，引導黑猩猩嬰兒學會手語，一起吃飯生活這是可以實現的，但是能不能真正產生像人類一樣的文明社會，或者融入人類社會中，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進化問題：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為食（腐食性），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分析，可以發現像屎殼郎這樣一類的腐食性金龜子可能出現在1.19-1.3億年前，最晚也是8500萬年前。而那個時候還是恐龍稱霸的時代（哺乳動物的輻射進化在6000-8000萬年，所以屎殼郎推的糞主要應該是恐龍糞），因此那時候的屎殼郎推的糞球和現在屎殼郎推的糞球可能大不相同：爬行動物（尤其是鳥類）與哺乳動物的糞便成分很不一樣（比如現代來看，鳥類的糞便尿素含量會更高，糞便中物質代謝的程度也更低），含有的營養物質也不一樣。

所以屎殼郎從哪學會推糞球這個問題，還是有很大爭議的。但至少可以發現，恐龍在數千萬年前的大滅絕，肯定是大大影響了屎殼郎們的飲食環境，進而導致群體的進化發生了一定的改變。

但是具體是怎么推的呢？這方面的研究，則更像是一個仿生學問題：昆蟲是怎么行走的？通過研究昆蟲行走的模式，我們就可能對復雜地形的運動、運輸有更好的認識。那屎殼郎的行為，當然是研究球體（糞球）運輸的最佳典范啦~

屎殼郎搬運過程中的圖示：A側視圖，B俯視圖，C連續側視圖，其中黃紅綠點依次表示了它的前中后腿的位置

可以看到，屎殼郎推的時候，首先要前腳用力，通過推動地面來產生前進的動力；同時，它的中腿和后退會穩穩地扶住糞球，然后以一定的規律循環往復地運動。

屎殼郎轉動的模式圖

其中，前腿以順時針方向轉動，重復著“站立-踩住地板-推”這樣的動作，來維持動力需要；中腿和后退則是以逆時針方向轉動，跟隨著糞球的運動也時刻轉動著，并且中腿和后腿的轉動在方向上會有一定的區別：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平衡的運動。

三條腿轉動的軌跡圖

進一步觀察，研究者總結了屎殼郎推糞球的四條基本規則：

1. 前腳著地，并且左右交替著地，這樣能確保動力持續存在；

2. 中腿的運動軌跡，和對側后腿的運動軌跡相似，應該是同步的進行能確保平衡；

3. 同一側的中腿和后腿往往不會同時抬起來，左右的中腿或者后腿也很少同時抬起來；

4. 中后腿之間有著明顯的協調循環運動過程。

同時也發現，前腿的運動和中后腿的運動往往是相互孤立的：這也好理解，執行的功能完全不一樣，兩套獨立運轉的系統對于不同糞球、不同地形的控制肯定自由度也更高一些。

六條腿的運動軌跡記錄與研究，可以和前面的四條規則對應起來看

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小問題，也歡迎關注我們，并在后臺留言，我們會挑選最有意思，且有一定研究成果的問題來給大家解答！

參考資料

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