线虫的意识

  人类无疑是有意识、有智力的动物。我们能够感觉到周围的世界,并且能够对感觉到的信息进行思考、推理,并且做出决定。我们能够设计、制造、和使用工具,能够用复杂的语言文字系统来传递和储存信息,对我们由以产生的世界进行不断深入的研究,还能够创造和欣赏音乐、绘画、雕塑等艺术形式。

   问题是,意识是人类所特有的,还是其他动物也有意识?意识是从什么动物开始出现的?它的意义是什么?科学研究表明,感觉和意识是随着神经系统的出现而出现的,所以只为有神经系统的动物所拥有,而且凡是拥有神经系统的动物,包括低等动物线虫,都有感觉和意识。而智力,即分析处理感觉到的信息的能力,是在感觉和意识的基础上发展起来的,

线虫(Caenorhabditis elegans)是非常简单的两侧对称动物,长约1 mm,身体呈梭形,有头有尾。成虫只有959个细胞,其中302个为神经细胞。多数神经细胞聚集于头部,形成线虫的脑。就是这样简单的动物,却能够有感觉。

   线虫生活在土壤中,以细菌为食,能够被细菌产生的可溶性化学物质所吸引,例如铵离子,生物素(biotin)、赖氨酸、血清素(serotonin)、环腺苷酸(cAMP)等。细菌分泌到细胞外,用于感知细菌浓度的酰化高丝氨酸内脂(Acylated homoserine lactone,简称AHSL)也能够吸引线虫,因为AHSL浓度高的地方也往往意味着有高浓度的细菌。联酰(diacetyl,两个乙酰基对接的产物),有强烈的奶油味,也是线虫“喜欢”的味道。另外一些物质,例如喹啉(quinine,对人是苦味)、二价铜离子(对生物有毒)、乙酸(能够释放氢离子)等,则能够使线虫有回避反应。

   虽然线虫能够为联乙酰所吸引,但是如果给线虫联乙酰的同时也给它会回避的乙酸,多次这样做以后,线虫就会在没有乙酸的情况下也回避联乙酰,说明线虫“学会”了把联乙酰和乙酸联系起来,遇到联乙酰就会预期到乙酸会出现,因而对联乙酰加以回避,即把原来吸引它的东西变成它要回避的东西。同样,如果把对线虫有吸引力的AHSL和对线虫有毒的细菌混在一起,以后线虫就会避开AHSL,即使已经没有有毒的细菌存在。这是严格意义上的巴甫洛夫(Ivan Bavlov,1849-1936,俄国科学家)“条件反射”(conditioning),或者叫做“相关性学习”(associate learning),是典型的学习行为。

这些结果表明,线虫能够区分它所遇到的分子,分别做出趋向和回避这两种不同的的反应。更重要的是,线虫能够进行相关性学习。如果原来有吸引力的分子和它要回避的分子之间有关联(同时出现)的话,线虫就会把原来有吸引力的分子变为要回避的分子,而且能够记住它。线虫发展出这个机制,一定有其原因,最大的可能性是因为线虫已经有了原始的感觉。有吸引力的分子带来的是“愉快”,或者“舒服”的感觉,而要回避的分子可能带来的是“不愉快”,或者“不舒服”的感觉。

在高等动物中,舒服还是不舒服的感觉与神经递质多巴胺(dopamin)有关,情绪高低与血清素(serotonin)有关,而线虫的神经细胞就分泌多巴胺和血清素,具备了和高等动物与舒服感觉有关的同样的神经递质,而且在线虫遇到食物时体内的血清素浓度增高,爬向食物时速度加快,说明食物也许能够引起线虫“兴奋”的感觉。

线虫有感觉的再一个证据是线虫看来能够感觉到“痛”。用波长685 nm的激光加热线虫的头部,头部会立即缩回。加热正在爬行的线虫的尾部,线虫会加快爬行的速度,以尽快脱离激光照射的区域。显然激光加热带给线虫的是一种不愉快的感觉,所以线虫要立即躲避。在脊椎动物中,痛觉主要是通过TRPV离子通道感受的,而阿片样受体(opioid receptor)与缓解疼痛的程度有关。线虫既有TRPV离子通道,也有阿片样受体,这些事实也支持线虫有痛觉的想法。

最能证明线虫有感觉的证据是线虫对毒品也有偏好。如果用盐(醋酸钠或者氯化铵)的味道和可卡因(cocaine)或者冰毒(甲基苯丙胺,methamphetamine)来进行条件反射实验,科学家发现与这些毒品相联系的盐,无论是醋酸钠还是氯化铵,都能够使线虫对盐的味道产生趋向反应,即寻找有这些味道的地方,以获得毒品。在哺乳动物中,毒品作用于动物神经系统中的回报系统,在没有外界良性刺激(例如食物与性)时直接产生愉悦的感觉,这种感觉是通过神经递质多巴胺来实现的。如果敲除线虫合成多巴胺的基因,线虫就不再对毒品感兴趣。可卡因和冰毒并不是食品,没有营养价值,线虫喜好它们,最大的可能性是毒品能在线虫身上也能产生“舒服”的感觉。

有趣的是,线虫像高等动物那样,也会“睡觉”,特别是在饱食之后。在睡觉期间,线虫停止活动,但是能够被外部刺激迅速“唤醒”,重新进入活动状态。线虫睡前活动的时间越长,随后睡眠的时间也会越长,而且如果在线虫睡眠时通过刺激人为地让它醒来,以后这个线虫就越来越难被唤醒,即被唤醒的阈值越来越高。这些特征都和高等动物越疲倦睡眠时间越长,睡眠越是被中断,以后就越不容易被唤醒的情形相似,这说明线虫也有清醒状态和睡眠状态,而且控制机制也很可能与高等动物相似。

不仅如此,线虫还能够被麻醉。一些能够使高等动物麻醉,丧失意识的药物,例如氯仿(chloroform)和异氟烷(isoflurane)能够使得线虫停止活动,而除去麻醉剂后线虫又重新恢复活动。麻醉剂也能够减轻伤害性刺激(例如缺氧、叠氮化合物以及高温)对线虫的影响。

所有这些事实都说明,线虫很可能已经具有感觉。而动物能够进行感觉的状态就是处于“清醒状态”,或者说有意识的状态,而丧失感觉的状态就是无意识状态,包括深度睡眠、昏迷、麻醉和死亡。线虫有感觉,有清醒状态和睡眠状态,能够被麻醉,因此线虫是有意识的。

仅有302个神经细胞的线虫就能够产生感觉和意识,这是动物进化过程中一个意义极其重大的发展。生物,包括最原始的单细胞原核生物,都能感知外界环境的变化并且做出反应,例如细菌能够向营养物质丰富的地方游动,所有的生物都能够根据太阳光照射的昼夜节律相应地调节自己的生理活动,即都拥有自己的生物钟。但是这些感知手段都不需要神经系统,也不产生感觉,反应也是程序性的。在这个意义上,生物无感觉的感知和反应与机器的感知和反应并没有本质的区别。例如电冰箱里面就有感知温度的传感器,冰箱里面的温度高到一定程度就会启动制冷的压缩机。科学家也在设计生产有“触觉”的机器人,但那只是把接触产生的压力转换成为电信号,使机器人做出反应而已,并不是真正的触觉。机器人只能感知,但是没有感觉,一切都按照人设计的程序进行。

线虫中感觉的出现,使得动物第一次对外界的刺激有了“主观”的感知,把外界的信息变为感觉。不仅如此,既然是主观的感知,感觉还可以是“舒服”的还是“不舒服”的。“舒服”和“不舒服”的区分又会导致情绪(emotion),即带有感情色彩的感觉。舒服的感觉会导致高兴的情绪,鼓励动物进一步去做与此相关的事情;难受的感觉则会导致抑郁、悲伤、甚至愤怒,对抗反应会更加努力和强烈,即增加动物做出相应反应的“动力”,这对动物的生存更加有利。早在1872年,达尔文就在一篇题为《人和动物情绪的表达》(The expression of emotion in man and animals)一文中说,所有的动物都需要情绪,因为情绪增加动物生存的机会。情绪驱动的反应也是动物“主动性”和“目的性”行为的萌芽,从此开启了智能型反应的发展历程。而在程序性的反应中,外界刺激是不被分类的,无论是有益的刺激还是有害的刺激,生物只是以固定的模式进行反应,不带“感情色彩”。

感觉是意识的基础。判断一个人是否有意识的一个标准,就是看他(她)能不能去感觉。如果线虫有感觉,就是有了最初的意识。线虫有了感觉,也就有了“自我”,因为是“我”去感觉,不是任何其它线虫个体去感觉,也不能和其它线虫个体分享。由此做出的反应也是为了感觉者自己的利益,而不是其它线虫个体的利益。

把感觉存储下来,形成记忆,也是形成“自我”的过程。在某种意义上,每个自我在内容上都是过去所有记忆的总和,是这些记忆把一个人与另一个人区别开来。同卵双胞胎虽然有相同的DNA序列,但是他们的经历所留下的记忆不同,使他们成为不同的人。即使是两个线虫有相同的DNA序列(例如是克隆的产物),能够记住乙酸因而能够主动加以避免的线虫和没有接触过乙酸的线虫也是不同的个体,在与乙酸有关的行为上也会有所不同。

所以即使在线虫这样只有302个神经细胞的动物身上,就已经出现了能够产生“舒服”和“不舒服”感觉的系统并能够加以记忆。线虫也可以像哺乳动物一样,通过毒品来“人为”地产生愉悦的感觉,所使用的神经递质也和哺乳动物相同。线虫也能够被麻醉。因此,感觉和意识的产生,并不如原来想象的那样,需要大量的神经细胞和复杂的脑结构,而是从神经系统发展的初期就出现了。后来的思维和智力,只不过是在这个基础上发展起来的。线虫的例子说明,形成感觉所需要的神经细胞(在线虫中是302个)和它们之间连接的回路(在线虫中总共有5000多个)并不是那么多。这么少的神经细胞和它们之间的连接就能够产生感觉和意识,是令人惊异的。

线虫感觉和意识的出现,其意义不亚于生命的形成。地球上生物的进化过程中,有两个意义最为重大的发展。一是从无生命的物质产生有生命的物质,这是非常难的一步,地球上后来所有生物,包括原核生物和真核生物(真菌、植物和动物),只是最初那个生命形式的发展,所以即使是地球上最高级的生命形式——人类,细胞的基本结构和运作方式也和最原始的生命基本相同。二是从有生命,但无感觉的物质产生有生命,也有感觉的物质,从此地球上就有了有意识的生物,并且在此基础上发展出智力。虽然人类具有高度发达的意识和智力,但是意识和智力所涉及的基本分子仍然和低等动物一脉相承,如感觉神经细胞释放的神经递质谷氨酸盐、AMPA型离子通道、TRPV离子通道、多巴胺、血清素,甚至阿片样受体,在线虫身上就已经出现了,人类只是继续使用并且扩大其功能而已。

   虽然这两个过发展都意义重大,但是感觉产生的意义更加重大,因为这才使得除了物质活动以外,还产生了精神活动,人类才能够拥有高度发达的智力去主动思考和研究这个产生我们的世界。没有感觉和意识,生命只不过是由信息传递链调节控制的自我维持和繁殖的系统,一切按照DNA中携带的信息程序性地进行活动和对外界做出反应。虽然植物也可以多种多样,也可以开花结果,万紫千红,但是如果没有感觉和意识,这一切美景谁来欣赏?