大自然能进化出轮子吗?

大自然能进化出轮子吗?
大自然能进化出轮子吗?

大自然能进化出轮子吗?
轮子是人类文明史上最重要的机械发明之一.陆海空所有交通运输工具上都可以找到轮轴这种简单结构.众所周知,人类设计的许多机械装置,例如机翼和镜头,都可在自然界中找到其原型,那为什么我们从未见过有轮子的动物?要回答这一问题,我们首先得对轮子有个清晰的定义.如果说轮子是笼统地指那些可以滚动的圆形或球形物体,那利用这种机械的生物还是相当多的.例如某些虾被困在海滩上时会采用这一运动形式逃回大海,某些蜘蛛也用这一方式快速滚下沙丘来摆脱天敌,还有听到名字就能猜出其特点的风滚草.左：一种螳螂虾（Nannosquilla decemspinosa）被困在海滩上时可以采用滚动方式逃回大海； 右：轮蜘蛛（Carparachne aureoflava）可以变身轮子滚下沙丘避开天敌,最高转速可达每秒44转.这些例子说明在特定的环境下,进化是会青睐类似轮子滚动的运动方式的.不过以上这些例子中,生物体虽有转动或滚动的部分,却没有轴结构.本文想探讨的轮子是包括轴和能围绕轴转动的轮子这两部分的机械装置,即轮轴结构.所以我们的问题要稍稍改一下：大自然能进化出真正的、有轮轴结构的轮子吗?大自然能进化出真正的轮子吗?简单的答案是：能.不过,自然界里的轮轴都是分子尺度的结构.没有任何多细胞生物把自己部分身体进化成轮子.自然形成的轮子的著名例子有两个：细菌的鞭毛,ATP合酶.两者的结构有类似之处,而且前者比后者具有更完全的轮子部件.这里以鞭毛为例介绍一下自然进化出来的轮轴结构.下图演示了细菌是如何用轮轴结构带动鞭毛来游动的.这里自然不仅发明了轮子,还发明了离合器.当‘离合器’（黄色部分）处于‘合’的位置时,由氢离子浓度梯度推动的引擎转动,带动鞭毛使细菌向前游动；而当‘离合器’处于‘分’的位置时, 鞭毛不会转动所以细菌停止运动.左：分子离合器处于合的位置,细菌游动；右：分子离合器处于分的位置,细菌停止运动.细菌的这一轮轴结构非常类似于人工产物,很多人都觉得不可思议.神创论者更是经常用这个例子作为神创的证据,他们说这么精巧的结构不可能是进化出来的,而肯定是某种智能,比如神设计出来的.神创论者的核心观点是：这个轮轴结构可以说是‘不可简化的复杂’,要实现其功能则必须所有零件俱全,要是少了一些部件那这轮子就不可能工作,所以这不可能是像进化论所主张的那样,通过渐变、部件慢慢组装的过程进化而来. 但事实上并不存在什么‘不可简化的复杂’.组成鞭毛的部件大都原有其他功能,在进化中组到一起之后功能变异形成鞭毛.例如把组成鞭毛的部件去掉几十个,只留下其底座,就恰好是细菌的Ⅲ型分泌系统.Ⅲ型分泌系统看起来象注射器,是细菌拿来感染别的生物时注射传递蛋白的装置.左：鞭毛结构示意图；右：细菌Ⅲ型分泌系统的透射电镜图像.神创论者对细菌轮轴结构的看法,同他们以前很多“复杂生物结构不可能自然进化出来”的观点一样,已被科学家证明是错误的.为什么没有多细胞生物进化出轮子?既然大自然能进化出微观的轮子,那一个有趣的问题是,为什么又没有任何多细胞生物进化出大型的轮子呢?对于这一问题,一般认为有两方面的原因：发育、解剖学上的限制,和进化上的不利.从解剖学角度来看,由于轮状物必须能围绕着轴（或者带着轴一起）自由旋转,这就意味着生物本体和轮状部分之间不能有固定连接,而没有固定连接就意味着无法通过血管等组织向轮状部分输送养料和取回废物.鞭毛的轮轴结构是分子尺度的机械,可以通过扩散和渗透等过程来解决向轮状部分提供原料的问题,而这种传递的效率无法与血管运输相比,所以多细胞生物无法以之供养大型的轮子.理论上来说这个问题是可以解决的,如果轮状部分采用类似指甲、甲壳那种‘死掉’的生物材料,就可以避免提供养料的难题.要进化出轮子,还存在另一个难以逾越的障碍.在自然环境里,轮子并不见得比其他运动方式有优势,就算没有发育和解剖学上的限制,进化也未必会选择轮子.最显然的一点是轮子在陆地上需要自然界中罕有的平坦、坚硬的路面,否则会因阻力太大而陷住.缺乏合适路面其实也是有些人类文明没有发明或者采用轮子的原因.例如罗马帝国时代,轮式战车曾经传到了中东和北非,但后来罗马帝国没落后当地人却不再使用轮车,而是用骆驼来运输物品.如果知道轮车在沙漠地面前行时所受到的阻力是在混凝土路面所受阻力的10到15倍,你就不会为当地人的这种选择感到奇怪.另一个例子是在大航海时代之前的南美洲,要么缺乏合适路面,要么缺乏拉车的牲畜,当地的玛雅人、墨西哥土著人虽然知道轮子的概念,但却不使用.也是基于这一原因,现在美军在研发 ‘机器驴’,因为很多在自然环境‘腿’这种设计比轮子更有优势.有人问如果说轮子在陆地上没优势,那么在水里、在空气里总行了吧?为什么没有鱼或者鸟进化出螺旋桨?答案是在水或空气中螺旋桨的机械效率不如摆动的鱼尾或者翅膀,所以生物螺旋桨并无进化优势.轮轴机械只有用于在粘度为主导因素的流体中运动时才有效率优势,而细菌的鞭毛就是在这样的环境中进化出来的.还有一点是动物的肢体往往有多种功能,例如刹车减速、抓、挖、踢打等等,而进化出轮子会丧失很多功能.你要是四肢末端都是轮子,可怎么拿筷子啊?想象中的动物如果解决了发育和解剖学上的限制,那么在特定的环境下有轮子的动物也许是可以进化出来.在一本英国作家所著的小说The Amber Spyglass里,就有这样的想象中的动物Mulefa.Mulefa的四肢呈菱形布局,一前一后装上某种植物的圆形种子当轮子,左右脚则用来推进.书中说,Mulefa进化出轮子的一个条件是环境中岩浆冷凝后形成了硬质平坦的‘路面’.想象中有轮子的动物Mulefa.虽然说在我们生活的地球上还没发现有动物进化出真正的轮子,但是这在理论上是可能的.也许在宇宙中某些环境特殊的星球上真有带轮子的动物?至少,我们可以想象那会是什么样的.