走进科学
发育生物学揭示生命、智能和不朽的秘密
发育生物学认识到了生物电网络在生物体结构形成中的重要性，超越了基因决定论。该领域的研究展示了对发育过程的惊人控制力，并突出了生物体的适应性和创造力。从生物医学到认知科学，该领域有望带来广泛的影响，使我们重新思考代理性和智能的含义。
I. 神秘：一个受精卵如何变成你
科学界最大的谜团是什么？我们倾向于讨论黑洞、意识、外星人和平行宇宙等宏观话题。我们不太谈论更常见但却同样令人惊叹的事情：人类的身体是如何从一个单一细胞开始构建自己的？
我们不太会问这个问题，因为我们已经习惯了——婴儿出生，橡子变成树，鸡蛋孵化成小鸡，这些都是每天都在发生的事情。但这里确实有一个令人费解的问题。想想你的细胞在构建你的身体时需要做什么：它们必须协调自己的位置，遵循一个由骨头、皮肤、肌肉和器官组成的详细结构；它们必须构建和连接你大脑中的数百亿个神经元；每个细胞都必须决定分化为哪种类型的细胞，以及复制多少次才能确保你身体各部分的比例正确。如此众多的个体单元如何协作自组装成一个庞大、功能齐全的整体？
首先，让我们考虑一种非常不同类型的功能整体：构成我们所处环境的计算机、汽车和其他机器。这些东西也是由无数个小部件组成复杂的、完整的功能整体。但它们是“死”的，因为它们不会自我构建和修复。使所有微小部件能够协同工作的唯一途径是我们自己设计和组装所有部件，一丝不苟地执行一个详细的计划。生物学的问题在于，你没有这种自上而下的规划：当一个卵细胞增殖成一个完整的身体时，不存在一个“中央指挥中心”，能够了解整个处于发育中的身体并指示每个部分做什么。没有大脑告诉身体如何构建大脑本身。
在没有自上而下设计的情况下，我们对生物学的传统看法是，所有事情都以自下而上的方式发生：分子机制决定细胞的功能，细胞的功能决定你的器官的功能，最终控制你的身体。这个层次结构最底层的东西——生命中所有其他事物的基础是什么？基因组。基因被认为是生命的基本代码，所以当涉及到弄清身体如何发育，或者如何治愈疾病或改变特定的生物特征时，我们倾向于从那里寻找答案。我们花费大量的研究精力做了一些事情，比如研究引发眼睛构建的基因，或试图找出阿尔茨海默病和癌症的遗传基础，或研究特定基因的突变如何改变果蝇的昼夜节律。自从我们于 2003 年完成人类基因组测序以来，我们就被基因组数据淹没了，我们不太知道该用这些数据做什么，但重点主要集中在基因和化学通路如何决定生物体的宏观结构上。
当然，直到迈克尔·莱文(和其他许多人)出现。他们走进来对我们说：基因是伟大的，它们确实包含了构建我们身体所需的大部分必要信息。但它们并不包含所有信息，在理解身体如何发育方面它们并不是一种有用的抽象化层次，因此它们并不总是干预生物学(例如再生受损器官，或治愈癌症等疾病)的最佳方式。如果你曾经做过任何编程，你就会知道有很多抽象化层次——高级和低级编程语言，高级和低级 API——你可以从中理解或操作计算机中运行的软件。莱文的意思是，基因就像机器码，而现代程序员永远不会考虑机器码——他们考虑对象、模块和应用程序等高级软件结构。他的工作中包含的大胆主张——这里的真正革命——是抽象化和控制的高层次确实存在于生物学中。这种高级抽象化表现形式之一就是生物体的生物电网络。
II. 生物电，或者，一分为二的蠕虫
我们通常认为神经元是我们身体中通过在大网络中进行通信而产生智能行为的唯一细胞。神经元不断以膜上的电模式和神经递质(在细胞之间传递信息的化学物质)的形式相互交流。但事实证明，全身的细胞都具有完全相同的通信构建模块。它们进行相同的通信，但速度较慢。莱文和他的同事称之为生物电网络，以区别于神经网络。
在过去的几十年里，我们发现了生物电网络分布在身体中所做的与大脑相同功能的所有方法：存储记忆、解决问题和指导发展。为了了解生物电网络是如何工作的，我们必须谈论一种叫做涡虫的令人惊叹的生物。这种小动物(长约 2 厘米)在某种程度上是发育的“天才”：它不会衰老，不会患癌症，并且具有极强的再生能力，能够再生任何被切断的身体部位，即使它被切成 250 多块。
即使被切成许多块，涡虫也能再生
我们之前提出的问题——一个卵细胞如何扩展成一个完整的身体——同样适用于涡虫如何仅从一小块组织再生其整个身体。(我们可以将发育本身视为一种再生事件。)虽然对涡虫深远的再生特性仍有很多了解，但莱文等人已经表明，蠕虫的生物电网络起着至关重要的作用。
想象一下取其中一条蠕虫并将其分成两半。你现在有两条半条蠕虫，每条半条蠕虫的任务都是重建身体的其余部分。这里有一个关键的决定，细胞必须做出：我们已经拥有身体的哪一部分，哪一部分我们需要构建？其中一条半蠕虫需要产生一条尾巴，另一条半蠕虫需要产生一个头。但是细胞位于身体的正中央，极其远离(从细胞的角度来看)头部和尾巴。细胞如何知道它们应该产生什么？
当涡虫被一分为二时，切口两侧的细胞必须形成身体的另一半。
答案，至少在一定程度上，是蠕虫身体各处的细胞都有“静息膜电位”梯度，这实际上是一种稳定的电状态。细胞以这种方式跟踪他们在身体中的“位置”，实验表明，细胞相对于身体其他部分的电状态决定了它是否会增殖成头部或尾巴。
蠕虫的生物电网络的图片。如果你测量沿着它身体的电势，你会看到从头部到尾部的梯度。
为什么这一切都重要？因为一旦我们了解细胞如何协调决定建造身体的哪些部分，我们就可以开始干预这种发育，以创建新的身体结构。他们已经做到了这一点：莱文团队能够诱导蠕虫产生两个头部而不是一个头部，方法是将蠕虫放入阻断特定离子通道(进而改变细胞电状态)的药物溶液中。他们还诱导蠕虫不产生头部，或生成不同蠕虫物种的头部。所有这些都是活的、功能齐全的蠕虫，只是身体结构截然不同。
记住一个关键点：在所有这些实验中，蠕虫的基因从未被编辑。你得到了具有相同基因的完全不同的功能蠕虫。更令人惊讶的是，其中一些变化是持久的：在没有进一步的药物或修改的情况下，双头蠕虫产生后代时也是双头的，无限期地。想想这意味着什么：我们已经改变了蠕虫结构，而无需改变其基因。我们已经超越了遗传密码，而是开始破解身体的生物电密码。
双头蠕虫继续无限期地繁殖为双头蠕虫
蠕虫只是一个例子：莱文的实验室和其他人已经通过调节生物电网络展示了对发育的惊人控制水平。他们做了一些事情，比如让青蛙长出额外的肢体，让青蛙的肠道长出一只眼睛，或让青蛙的尾巴长出一只眼睛，它们可以从中真正看到。莱文梦寐以求的最终目标是一个“解剖编译器”——一种程序，可以接受任意器官或身体计划的规范作为输入，并输出生成该器官所需的一组特定的化学和电信号。想象一下，用 3D 打印整个合成器官和生物体，只是不用指定所有微观细节，而是可以像“在尾巴上多长一只眼睛”一样提供一个高级描述。这就是 Dall-E，但它是为生物学而设计的。从长远来看，它可能是生物医学领域几乎所有问题的答案，包括创伤性损伤、先天缺陷、退行性疾病、癌症和衰老。
III. 分形智能，或，分形创造力
因此，在实践层面上，莱文工作的成果是对基因作为唯一结构决定因素的转变，而是转向生物电网络。但这里有一个更广泛的论题，即意识到“智能”和“认知”这些术语适用于比我们通常认为的更多生物学。发育的过程本身就具有自己的智能：例如，如果你取一只蝌蚪(青蛙的前身)，并手动扰乱它的面部器官，当蝌蚪成熟时，这些面部器官会重新移回正确的位置。
蝌蚪发育中的身体正在主动朝“目标”状态发展：它不是一个硬编码的系统，盲目地按照基因中编码的一组预定步骤进行。实验者创造的手动扰乱(称为“毕加索青蛙”)是一种在进化环境中不会发生的情况，所以它不可能是它被特别选择的。
在生物系统中，还有许多这样的适应性，它们存在于各个细胞和细胞群的层次。莱文将“智能”定义为通过不同方式实现相同目标的能力，多年来，他和其他人已经记录了这样的适应性的案例。如果一个发育中的胚胎被外科手术切成两半，它会发育成为两个独立的、健康的双胞胎，而不是两个半片身体；胚胎会根据外部扰动重新进行自我结构化。如果人工增大蝾螈神经细胞，其肾脏中的小管仍然会发育到相同的大小，只是每个小管中使用的细胞较少。这就像细胞正在协作产生固定的管径，无论单个细胞有多大。随着单个细胞变得越来越大，蝾螈甚至会从一个自转的小管中发育出小管：
因此，我们在生物学的各个层面上都有所有这些分形智能的例子。但是智能的深刻反面是创造力：当受到干扰时，生物学不仅能够恢复相同的功能，而且在给定正确提示集的情况下，还能采用全新的功能。莱文的团队已经从胚胎青蛙中提取了皮肤细胞，并向它们发出了某些信号，以创造出“生物机器人”，这些机器人可以独自移动甚至自我复制。(再说一遍：没有基因改造，只是取出普通的干细胞并给它们药物。)最近，他们从成年人肺组织中提取了细胞，并用它们构建了可以修复受损神经元的移动生物机器人。在生物学的各个层次上都有一个需要被发现的潜在创造力，并且潜在的应用是无穷无尽的。想象一下创建可以攻击癌细胞、清除环境中的毒素或修复退化的神经组织的小型生物机器人。
莱文工作中更大、令人惊叹的视角转变是重新思考我们认为是什么算作具有其追求“目标”的“能动者”。一个细胞是一个能动者吗？一个胚胎呢？肝脏怎么样？你的免疫系统怎么样？莱文假设，早在进化发现大脑中的能动性和智能信息处理之前，它已经在低级系统中发现了这些特性——在形态发生中(生物体发展其高级结构的过程)、在细菌群落中，甚至在基因网络中。这些系统是我们难以将其视为能够形成记忆或有目标的自主实体的系统。但在我看来，莱文工作真正特别之处在于，他并不只是从扶手椅上倡导一种视角的转变：他的团队已经投入了数十年的实验工作，证明了这些想法的有效性和前景。他关注的不仅仅是哲学化智能和能动性的本质，而是询问：哪些定义、哪些框架将导致最有成果的经验研究和潜在应用？一旦我们将细胞和细胞群视为具有固有智能，我们就可以利用这种智能来达到我们自己的目的。
不仅生物医学可以从这种视角转变中获益：如果我们认为我们的大脑、我们的器官和我们的细胞都具有认知的基本构建模块，那么我们可以跨领域分享工具和想法。“认知科学”的概念已经超越了仅仅研究大脑中的神经元，扩展到协同工作的任何细胞类型，或者任何集体，包括人类群体。一些具体的相似之处已经得到研究，比如将癌症视为细胞群的“解离性身份识别障碍”，或者发现蚂蚁群体和大脑一样屈服于“视觉错觉”。莱文说，所有智能都是集体智能：所有这些“不同的智能”最终都由部分组成，大量的子单元具有自己的能力和较低层次的智能，结合起来产生比整体更大的东西。我们倾向于将自己视为一个个体，作为一个不可分割的单位，但同样的“集体智能”标签适用于我们每个人：你最终是数百亿个神经元(和数万亿个其他细胞)协同工作的集合，每个细胞都有自己的能力和次级目标，有时甚至会发生冲突。用这种方式思考自己是奇怪的，我们的头脑与蚂蚁群或一群鹅处于同一频谱上，但一旦你深入了解我们如何运作的细节，就很难以其他方式看待它了。正如人类世界是一个自我社会一样，你的身体是一个细胞社会。这种联系可能不仅仅是比喻。
本文译自 Bits of Wonder，由 BALI 编辑发布。