垃圾堆里会进化出“吃“塑料的生物吗？| kiwi问

垃圾堆里会不会进化出“吃”塑料的生物？我们有可能教会黑猩猩人类的生活方式和语言吗？屎壳郎是怎么滚粪球的？

打开我们的脑洞，就能提出数不胜数的与生命科学有关的小问题。我们也为此开设这一栏目，为大家搜寻这些有趣的小问题，并用现有的最新科学研究，来尝试给大家解答。

1

如果有一个存在了上亿年的垃圾堆，会进化出吃塑料的生物吗？

答案是肯定的，甚至更加快：生物进化可能远比你想象的要快，根本不需要上亿年。

首先，垃圾堆早就存在了，不用说“如果”。

过去七十年，塑料制品的数量只增不减。据统计，塑料的生产在过去七十年间从每年200万吨到现在每年有3.8亿吨，虽然其中不少会去特别处理，但是每年仍然约有900-1400万吨塑料会因为各种原因被排入海洋中。

印度尼西亚巴厘岛海滩上出现的塑料垃圾 | 图源：Anadolu Agency

抛开环保的因素，我们回到问题本身：这每年成吨的垃圾倾倒到自然界中，就是一个“自然”的垃圾堆演化发生地了。

但是，不需要上亿年吗？因为进化的时间单位是“代”数，而不是时间。

我们高中课本学过，进化的基本单位是种群而不是个体，而种群要怎么传递他们的遗传信息呢？需要通过交配与繁殖。所以当我们计算一个种群进化的时间时，相对于我们理解的时间概念，从父母到子子孙孙这样一代又一代的“代”数，是一个更合适的时间单位。

举个例子，假设人类平均生殖的年龄是20岁（这里仅仅是假设），那么一百年里人类群体只会出现5代的遗传信息传递。但是细菌呢？昆虫呢？大肠杆菌繁殖一代只需要20分钟，果蝇繁殖一代只需要大约10天，这就意味着在相同时间里，它们的代数会远远高于人类。

不同细菌繁殖所需要的时间，都是以分钟为单位的

| 图源：Wikipedia

所以我们去找能降解塑料的物种，比如微生物、昆虫，它们所需要的时间完全不需要上亿年，几十年的演化，再加上环境带来的强选择（如果以塑料为食，那就是和生存直接挂钩了，选择的作用就会非常强），对它们来说已经是一个足够长的时间了。

其实微生物能吸收塑料的道理也不复杂：生物关键需要的物质除了水之外，是碳和氮。而塑料中具有的物质比如塑料袋里的聚乙烯 [PE]、食品包装用的聚丙烯 [PP]、饮料塑料瓶的聚对苯二甲酸乙二醇酯 [PET]等等，都是含有碳元素的，本身就是可以作为微生物的碳源，需要的是关键的蛋白酶，来将这些分子降解，就可以达到塑料吸收的目的了。

但是几十年的演化实验很难做，最直接的方法就是观察。

2016年，日本科学家从塑料瓶回收站里发现并分离出了一种可以降解PET的微生物新种，Ideonella sakaiensis，它含有可以降解PET的关键酶（PETase和MHETase），通过2-3步的生化反应就可以将PET降解为对苯二甲酸[TPA]和乙二醇[EG]，也就实现了PET的降解了。

Ideonella sakaiensis 降解PET的过程 | 图源：Yoshida S, et al. Science, 2016.

而后的发现则是在昆虫的肠道菌群。不少昆虫要食用植物，纤维素的降解往往很依赖它们体内的微生物，而当昆虫开始吃塑料的时候，它们体内微生物也在被选择：在实验室中发现了印度飞蛾的幼虫体内含有可以降解聚乙烯[PE]的两种肠道细菌，这些细菌可以很好的在PE薄膜（也就是塑料袋）上生长。黄粉虫的研究则更加丰富——能够降解PE、聚苯乙烯PS的肠道细菌都被依次发现。

昆虫肠道菌群，是一项很有意思也很有意义的研究 | 图源：Jang S, Kikuchi Y. Current Opinion in Insect Science, 2020.

还有一类叫蜡蛾（Galleria mellonella）的昆虫，它们往往会以蜜蜂不要的蜂蜡为食，而蜂蜡的结构和PE很相似。科学家利用抗生素消除蜡蛾幼虫体内的大肠杆菌发现，蜡蛾自己就可以消化PE，但肠道菌群可能也会起到促进作用。

蜡蛾体内的代谢过程 | 图源：Kong H G, et al. Cell Reports, 2019.

还有的研究更绝：观察进化是吧，一个个观察太慢了，干脆一口气全观察了。研究者采集了世界上两百多个地方的环境DNA，再结合能降解10种塑料分子的30000多种酶序列的数据库，在海洋中发现了12000多种塑料降解酶，在土壤中发现了18000多种塑料降解酶，这其中绝大部分，都是科学家们从未看到的。

回到开头，这样的进化完全不需要上亿年，在如今海洋和土壤的“垃圾堆”里，类似的生物已经成千上万种了。而回到进化理论本身来看，也许这些能降解塑料的酶只是偶然突变产生的，但是当无时无刻的选择发挥作用时，偶然，也就成为了必然。

2

如果让科学人员从小养育一只黑猩猩婴儿，能引导它以人类的方式和思维生活吗？

这个问题很有意思，其实这个行为学实验动物行为学家们很早就开始做了，只不过他们没有穿戴黑猩猩外衣，而是将黑猩猩当人一样培养。

从上个世纪70年代开始，部分动物行为学家开始了一项尝试：教会黑猩猩手语。理由很简单：语言能力是人类独有的，也只有语言的形成，才使得人类的社会不断壮大，个体之间得以沟通。那么，和我们600万年前有着共同祖先的黑猩猩，能不能做到呢？

1966年，一只叫Washoe的雌性黑猩猩在十个月大的时候被带到了Gardner夫妇的实验室里开始了自己的生活。Gardner夫妇给这只黑猩猩营造了一份和人类婴儿无异的环境：让她穿人类的衣服，和人类一起吃饭、刷牙，可以自由地穿衣服、用梳子、玩玩具，还有属于自己的都有空间。同时她还要做家务、在户外玩耍、和“家人”一起坐车……

黑猩猩Washoe

在这个“人类环境”基础上，Gardner夫妇开始慢慢尝试教Washoe手语：之所以不是直接教说话，是因为之前已经有过好几个实验项目想教黑猩猩讲话都以失败告终——很大的原因是黑猩猩的声带结构和人很不一样，很多声音发不出来。

结果几年之后，Washoe学会了很多手语单词：Washoe在其一生学会了350个英语单词，并且还能用这些单词进行沟通，甚至在这些单词的基础上通过组合构建新的单词。同时Washoe还表现出比如自我意识（看着镜子会说“我，Washoe”）、共情意识（得知看护人流产后说“哭”）等等，这第一只学会手语的黑猩猩，带给科学家们太多惊喜：会语言的远远不止人类，黑猩猩也可以说话。

Washoe在学手语

同时，学会语言的远不止黑猩猩。后来，不同的研究者还教会了大猩猩、倭黑猩猩手语的能力，他们也都表现出对语言认知的能力。

但这也不是说明黑猩猩有着能完全掌握语言的能力。在Washoe之后对另一只黑猩猩Nim的培训中，研究者通过视频发现，Nim表达的手语很可能更倾向于一种训练的结果：它并不能真正理解这个词的意思，只是在模仿。（当这个实验也有另一个问题，Nim开始训练的时候已经成年，和Washoe的情况又有所不同）

黑猩猩Nim

我们再跳出行为学家的这个实验，回到黑猩猩自己本身，它们有没有学会语言的可能呢？

有研究者观察了野外的黑猩猩，在五千多次的黑猩猩手势交流中，研究者归纳出了黑猩猩交流的66种手势，可以表达19条特定的语言信息——但这和人类千变万化的语言能力相比，显然远远不足。

同时我们也知道人类大脑体积远大于黑猩猩，这也隐隐暗示了人类可能有的更高认知能力；而目前已知的与语言相关的两个关键脑区——Broca区和Wernicke区——都是人类所特有的，并且表现出了左右脑不对称性……至少从我们已知的神经解剖上，黑猩猩无法完整学会像人类这样的语言。

所以，引导黑猩猩婴儿学会手语，一起吃饭生活这是可以实现的，但是能不能真正产生像人类一样的文明社会，或者融入人类社会中，这就很难做到了。

3

为什么屎壳郎能把粪球推那么圆？

首先，任何生物问题是一个进化问题：那屎壳郎最早是怎么推粪球的？屎壳郎是一种金龟子科的昆虫，这一科里的昆虫有的以推粪球为食（腐食性），有的则是以植物为食（植食性）。

研究者通过化石和基因组的推测分析，可以发现像屎壳郎这样一类的腐食性金龟子可能出现在1.19-1.3亿年前，最晚也是8500万年前。而那个时候还是恐龙称霸的时代（哺乳动物的辐射进化在6000-8000万年，所以屎壳郎推的粪主要应该是恐龙粪），因此那时候的屎壳郎推的粪球和现在屎壳郎推的粪球可能大不相同：爬行动物（尤其是鸟类）与哺乳动物的粪便成分很不一样（比如现代来看，鸟类的粪便尿素含量会更高，粪便中物质代谢的程度也更低），含有的营养物质也不一样。

所以屎壳郎从哪学会推粪球这个问题，还是有很大争议的。但至少可以发现，恐龙在数千万年前的大灭绝，肯定是大大影响了屎壳郎们的饮食环境，进而导致群体的进化发生了一定的改变。

但是具体是怎么推的呢？这方面的研究，则更像是一个仿生学问题：昆虫是怎么行走的？通过研究昆虫行走的模式，我们就可能对复杂地形的运动、运输有更好的认识。那屎壳郎的行为，当然是研究球体（粪球）运输的最佳典范啦~

屎壳郎搬运过程中的图示：A侧视图，B俯视图，C连续侧视图，其中黄红绿点依次表示了它的前中后腿的位置

可以看到，屎壳郎推的时候，首先要前脚用力，通过推动地面来产生前进的动力；同时，它的中腿和后退会稳稳地扶住粪球，然后以一定的规律循环往复地运动。

屎壳郎转动的模式图

其中，前腿以顺时针方向转动，重复着“站立-踩住地板-推”这样的动作，来维持动力需要；中腿和后退则是以逆时针方向转动，跟随着粪球的运动也时刻转动着，并且中腿和后腿的转动在方向上会有一定的区别：要是方向完全一致可能两条腿就打架了，这可能就需要维持一个平衡的运动。

三条腿转动的轨迹图

进一步观察，研究者总结了屎壳郎推粪球的四条基本规则：

1. 前脚着地，并且左右交替着地，这样能确保动力持续存在；

2. 中腿的运动轨迹，和对侧后腿的运动轨迹相似，应该是同步的进行能确保平衡；

3. 同一侧的中腿和后腿往往不会同时抬起来，左右的中腿或者后腿也很少同时抬起来；

4. 中后腿之间有着明显的协调循环运动过程。

同时也发现，前腿的运动和中后腿的运动往往是相互孤立的：这也好理解，执行的功能完全不一样，两套独立运转的系统对于不同粪球、不同地形的控制肯定自由度也更高一些。

六条腿的运动轨迹记录与研究，可以和前面的四条规则对应起来看

在这六条腿的配合下，屎壳郎也就能将粪球越滚越圆越滚越大了。

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参考资料

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