如果你想寻找外星生命形式，先别急着预订去土星卫星的旅行。你可能只需要搭乘飞机去密歇根州东兰辛即可。
东兰辛的外星人不是由碳和水构成的。它们没有DNA。数亿个这样的生物正悄悄地殖民于密歇根州立大学植物与土壤科学大楼地下室里一组由200台计算机组成的集群。然而，要窥探它们的世界，你必须沿着威尔逊路向西走几个街区，去工程系参观数字进化实验室。在那里，你会发现一群计算机科学家、生物学家，甚至一两位哲学家，他们正盯着电脑屏幕，观察着奇特新生命形式的进化。
这些是数字生物——一串串指令——类似于计算机病毒。每个生物都能在几分钟内产生数万个自身的副本。然而，与计算机病毒不同的是，它们是由数字位组成的，数字位可以像DNA突变一样发生变异。一款名为Avida的软件程序允许研究人员通过扫描像瀑布一样倾泻而下的计算机屏幕上的数字列，追踪数字生物一代又一代的诞生、生命和死亡。
经过十多年的发展，Avida的数字生物现在已接近符合生物生命的定义。“生物学家所说的生命所需的特征，我们正越来越多地打勾，”密歇根州立大学的哲学家、Avida团队成员罗伯特·彭诺克（Robert Pennock）说，“这个有，那个有，这个也有。新陈代谢？可能还没完全达到，但已经非常接近了。”
这些数字生物特别擅长的一件事就是进化。“Avida不是进化的模拟；它就是进化的一种实例，”彭诺克说。“达尔文过程的所有核心部分都在那里。这些东西复制，它们变异，它们相互竞争。自然选择的整个过程正在那里发生。如果这是生命定义的核心，那么这些东西就符合。”
用谈论樱桃树或海豚的方式来谈论一段计算机代码，这可能听起来很奇怪。但生物学家对生命的思考越多，这种等同关系就越引人注目。计算机程序和DNA都是指令集。计算机程序告诉计算机如何处理信息，而DNA则指导细胞如何组装蛋白质。
DNA中指令的最终目标是制造含有相同遗传指令的新生物。“你可以将活着的生物体视为一个信息通道，它将其基因组传递给后代，”数字进化实验室主任查尔斯·奥夫里亚（Charles Ofria）说。“而存储在通道中的信息是如何构建一个新的通道。”因此，一个包含自身复制指令的计算机程序，已经向生命迈出了重要一步。
一棵樱桃树吸收原材料并将其转化为有用的东西。二氧化碳、水和营养物质进入，木材、樱桃和抵御昆虫的毒素出来。计算机程序也以同样的方式工作。考虑一个加两个数字的程序。这些数字像二氧化碳和水一样进入，而和则像樱桃树一样出来。
在20世纪90年代末，奥夫里亚（Ofria）的前导师，加州理工学院的物理学家克里斯·亚当米（Chris Adami）着手创造条件，使计算机程序能够进化出执行加法运算的能力。他创建了一些原始的数字生物，并定期向它们呈现数字。起初它们什么也做不了。但每次一个数字生物复制时，它的指令行中就有很小的机会发生突变。在极少数情况下，这些突变使得生物能够以简单的方式处理其中一个数字。例如，一个生物可能获得简单地读取一个数字的能力，然后产生一个相同的输出。
亚当米通过加快数字生物的繁殖时间来奖励它们。如果一个生物能同时读取两个数字，他就会进一步加快它的繁殖速度。如果它们能将数字相加，他就会给予它们更大的奖励。六个月内，亚当米的生物就成了加法高手。“我们能够让它们进化，无一失败，”他说。但当他停下来仔细观察这些生物是如何进行加法运算时，他更加惊讶。“有些方式很明显，但对于另一些方式，我就会说，‘到底发生了什么？’这看起来完全不可思议。”
在一次密歇根州立大学的旅行中，亚当米（Adami）遇到了研究细菌进化的微生物学家理查德·伦斯基（Richard Lenski）。亚当米后来把一份Avida软件发给了伦斯基，让他自己试用。在一个星期五，伦斯基将程序加载到他的电脑中，开始创建数字世界。到星期一，他便想关闭他的实验室，全身心投入到Avida中。“它闻起来就有生命的气息，”伦斯基说。
它也反映了伦斯基自己于1988年启动的研究，该研究现在是进化领域持续时间最长的实验。他从单一细菌——大肠杆菌（Escherichia coli）开始，并用其后代建立了12个独立的细菌群落。他以贫瘠的葡萄糖饮食培养这些群落，这为进化出新的生存方式创造了强烈的动力。在过去的17年里，这些群落已经经历了35,000代。在此过程中，它们成为了自然选择真实性的最清晰证明之一。所有12个群落都进化到细菌繁殖速度几乎是其祖先两倍的程度。与此同时，细菌细胞也变得两倍大。令人惊讶的是，这些变化并非平稳、线性地展开。相反，每个群落都以突然的跳跃方式进化，随后是数百代的小变化，接着是更多的跳跃。
类似的情况也发生在Avida中数字生物的进化过程中。因此，伦斯基建立了他的细菌群落的数字版本，并从那时起一直在研究它们。他仍然惊叹于Avida的灵活性和速度，这不仅让他可以通过几次按键来改变实验条件，还能自动记录每个生物的每一次突变。“在一个小时内，我收集到的信息比我们研究细菌多年来收集到的还要多，”伦斯基说，“Avida只是不断地向你喷吐数据。”
凭借这种新获得的能力，Avida团队正在以一种以前无法想象的方式检验达尔文的理论。现代进化生物学家拥有丰富的化石可供研究，他们可以比较活体物种的生物化学和基因。但他们无法观察每一代以及将鸟类与其双足恐龙祖先区分开来的每一个基因。相比之下，Avida使得观察数字生物随机突变和自然选择在数百万代中展开成为可能。在这个过程中，它正开始揭示进化中一些最大的问题。
问题一：半只眼睛有什么用？
达尔文认识到，如果今天的生命是自然选择进化的结果，那么即使是生物学中最复杂的系统也必须像有人踏着垫脚石过河一样，从简单的前体逐渐演变而来。但想想人眼，它由许多不同的部分——晶状体、虹膜、玻璃体、视网膜、视神经——组成，如果缺少任何一个部分就无法工作。如果眼睛是零碎进化的，那么它对我们的祖先有什么用呢？达尔文认为，即使是今天眼睛的更简单版本也能帮助动物生存。早期的眼睛可能只不过是一片光敏细胞，可以告诉动物它是在光线中还是阴影中。如果那片细胞随后演变成一个凹陷，它可能也能检测光线的方向。逐渐地，眼睛可能承担了新的功能，直到最终能够产生完整的图像。即使在今天，你仍然可以在扁形虫和其他动物中找到这类原始眼睛。达尔文宣称，认为自然选择无法产生复杂器官的信念“很难被认为是真实的”。
数字生物没有眼睛这样的复杂器官，但它们可以用复杂的方式处理信息。例如，为了将两个数字相加，一个数字生物需要执行许多更简单的操作，例如读取数字并将这些数字的一部分保存在其内存中。如果敲掉让数字生物执行其中一个简单操作的命令，它可能就无法进行加法运算。Avida团队意识到，通过观察一个复杂生物的进化，他们可能会学到一些关于复杂性如何普遍进化的经验。
研究人员设立了一个实验，以记录一个特别复杂的操作是如何演变而来的。这个操作被称为“等于”（equals），它包括逐位比较成对的二进制数，并记录每对数字是否相同。这是软件中常见的一种标准操作，但它并不简单。奥夫里亚（Ofria）能写出的最短的“等于”程序有19行。仅凭随机突变就能产生它的几率大约是千兆分之一。
为了验证达尔文关于复杂系统从简单前体进化的观点，Avida团队为简单操作设置了奖励，为更复杂的操作设置了更大的奖励。研究人员设置了一个实验，让生物繁殖16,000代。然后他们重复了该实验50次。
Avida打破了常规。在50次试验中的23次中，进化产生了能够执行“等于”操作的生物。当研究人员取消对简单操作的奖励时，这些生物从未进化出“等于”程序。“当我们查看这23项测试时，它们都是以完全不同的方式完成的，”奥夫里亚补充道。他想起了达尔文曾指出，许多进化路径可以产生相同的复杂器官。苍蝇和章鱼都能用它们的眼睛产生图像，但它们的眼睛与我们的眼睛截然不同。“达尔文在这方面是对的——有许多不同的方式来进化相同的功能，”奥夫里亚说。
Avida团队随后追溯了从第一个生物体到每个进化出“等于”程序的生物体的谱系。“数字生命的美妙之处在于你可以一步一步地观察它的发生，”亚当米说。“在每一个你通常永远不会看到的步骤中，都有一个你正在接近的目标。”事实上，成功生物体的祖先有时会遭受有害突变，使其繁殖速度变慢。但几代后的突变又使它们的速度加快了。
当Avida团队在2003年公布他们关于复杂性进化的初步结果时，他们收到了大量来自神创论者的电子邮件。他们的工作触动了反进化运动的神经，而且触动得很厉害。神创论者普遍声称生命表现出智能设计的迹象，尤其是在其复杂性方面。他们认为复杂事物永远不可能进化，因为除非所有部分都到位，否则它们无法工作。但正如亚当米所指出的，如果神创论者是对的，那么Avida就无法产生复杂的数字生物。一个数字生物可能需要使用19个或更多简单的例程才能执行“等于”操作。如果删除任何一个例程，它就无法完成任务。“我们表明，存在不可简化的复杂事物，而且它们可以进化，”亚当米说。
Avida团队在互联网上免费提供他们的软件，神创论者一次又一次地下载，希望能找到致命的漏洞。虽然他们发现了一些小故障，但奥夫里亚表示，他们尚未发现任何严重的问题。“我们简直拥有数千名无偿的错误测试员大军，”他说，“你还能要求什么呢？”
问题二：为什么一片森林里有不止一种植物？
当你走进一片森林时，首先映入眼帘的是多样性。树木高耸入云，蕨类植物潜伏在下方，藤蔓像缠结的蛇一样四处游荡。然而，这些树木、蕨类植物和藤蔓都是植物，因此，它们都以相同的方式生存，即通过捕捉阳光。如果一种物种在捕捉阳光方面比其他所有物种都更出色，那么你可能会认为它会胜过其他植物并占据整个森林。但很明显，进化走了不同的道路。
弄清楚原因是一小群生物学家的全职工作。他们中的一些人通过比较物种丰富和贫瘠的地方，并试图找出使它们不同的其他因素来寻求启示。一个有趣的模式与食物有关。生态学家发现，一个栖息地能为生物提供越多的能量，它就能支持越多的物种。但一个栖息地也可能变得过于富饶。那时它支持的物种反而会减少。这种模式在对从草原到北极苔原的生态系统的研究中反复出现。
直到最近，典型的Avida实验最终都会出现单一的优势生物。Avida研究人员怀疑这是由于提供了无限的食物——在这种情况下是数字。他们推断，也许如果他们让数字生物节食，它们可能会进化出不同的形式——就像自然界中发生的那样。于是Avida团队改造了他们的软件，以限制流入其数字世界的数字供应。然后，他们通过将数字分成更小的供应，使数字变得更加稀缺，每个供应只能用于特定的操作，例如将两个数字相加。随着生物以更快的速度使用数字，它们获得的益处也更小。如果太多生物在一个数字供应上暴饮暴食，它们就会完全停止复制。
Avida团队随后用数字淹没了某些数字世界，而另一些则限制在稀缺的供应下，全球生态系统中发现的相同多样性模式也随之出现。当数字供应量较低时，只有一种生物能够存活。在中等水平上，出现并共存了三四种不同的类型。每种类型都进化成一种或几种操作的专家。但当数字供应变得过于充足时，多样性又下降到单一物种。
将多样性引入Avida，对于那些认为复杂性无法进化的人来说，带来了更多坏消息。奥夫里亚决定重新进行复杂性实验，这次限制了数字的供应。“这简直把我惊呆了，”他说，“我回去检查了很多次。”在最初的实验中，生物体在50次试验中有23次进化出了“等于”程序。但当实验在数字供应有限的情况下进行时，所有试验都产生了能够执行“等于”程序的生物体。更重要的是，它们完成任务所需的时间只有原来的五分之一。
奥夫里亚怀疑这种差异来自于实验中现在有多个物种在进化，而不仅仅是一个物种。更多的物种意味着更多的成功机会。
问题三：为什么要友善？
人类社会依赖于无数的合作和个人牺牲行为。但这并不使我们独一无二。以粘细菌（Myxococcus xanthus）为例，这是伦斯基（Lenski）及其同事研究的一种细菌。粘细菌以十万计的巨大群落行动，像狼追逐驼鹿一样捕食大肠杆菌和其他细菌。它们通过喷射抗生素杀死猎物；然后它们喷射消化酶，使大肠杆菌爆裂。菌群随后一起吞食残骸。如果粘细菌群落感觉到它们已经没有猎物可捕，它们就会聚集在一起形成一个茎。茎顶端的细菌变成孢子，可以被风或水带到另一个地方，在那里它们可以开始一个新的菌群。与此同时，形成茎的个体死亡。
这种合作提出了一个重大难题，因为它可能被欺骗者的进化所破坏。有些细菌可能会享用被它们的群体同伴杀死的猎物，而避免浪费自己的能量制造抗生素或酶。另一些则可能进化出确保它们总是成为孢子，从不留在死茎中的方式。这种欺骗者并非理论上的：伦斯基和他的同事已经在他们的实验室中培养出了它们。
Avida团队现在正试图通过创建新的命令来解决合作之谜，这些命令将允许生物体交换信息包。“一旦我们让他们能够交流，我们能否让他们一起解决一个问题？”奥夫里亚问道。“你可以建立一个信息经济，一个生物体可以付钱让另一个生物体为它进行计算。”
如果数字生物合作，奥夫里亚认为，它们有可能像粘细菌群攻击猎物一样，共同解决现实世界的计算问题。“我认为我们将能够解决更复杂的问题，因为我们不必知道如何分解它们。生物体会自己想办法，”奥夫里亚说。“我们真的可以改变许多计算的面貌。”
问题四：为什么会有性？
鸟类会这样做，蜜蜂会这样做，甚至跳蚤也会这样做——但它们为什么都这样做是另一个问题。没有性也能繁殖。细菌和原生动物只是分裂成两部分。有些树木会向地下伸出枝条，长成新的树木。甚至还有一些全是雌性的蜥蜴物种。它们的卵不需要精子就能发育成健康的雌性小蜥蜴。
“进化中最大的问题之一是，为什么不是所有生物都是无性的？”亚当米说。考虑到性明显的低效率，进化生物学家怀疑它一定赋予了一些强大的优势，使其如此普遍。但他们尚未就这种优势是什么达成共识。
因此，密歇根州立大学的生物学家杜桑·米塞维奇（Dusan Misevic）在过去几年里一直在Avida中引入“性”。虽然数字“性”可能缺乏浪漫，但它从进化的角度来看具有最重要的元素：两个亲本的遗传物质在一个子代中混合。当一个数字生物复制自身时，复制体不会立即在Avida中取代自身并开始繁殖。相反，它的代码块会与另一个新生物体的复制体进行交换。只有在这次交换之后，这两个生物体才开始繁殖。
1964年，德国生物学家H. J. 穆勒提出，性允许生物体将其基因组混合在一起，形成可以克服有害突变影响的组合。另一方面，无性生物则受困于祖先传给它们的所有突变。穆勒认为，随着时间的推移，它们无法像有性竞争者那样快速繁殖。米塞维奇设计了一个实验来检验穆勒的假设。“这是一个经典的解释，所以它似乎是一个很好的起点，”他说。
米塞维奇创造了两种世界：一种充满了有性数字生物，另一种充满了无性数字生物。在它们进化了数万代之后，他测量了它们的复制速度。“我们得出的总体结论是，是的，在某些情况下性是有益的，”米塞维奇说。但也有意外。性主要是一种摆脱致命突变灭绝的方式。但在Avida中，有性生物为此付出了代价——它们携带的非致命但有害的突变比无性生物更多。
米塞维奇说：“我们必须寻找其他解释来帮助解释普遍的性。”
问题五：其他星球上的生命会是什么样子？
地球上的生命以DNA为基础。但我们不能排除生命可能从一个完全不同的分子系统进化而来的可能性。这引发了一些令人担忧的问题，即目前正在进行的寻找外星生命迹象的工作。NASA正在资助各种各样的生命探测仪器，从在火星上漫游的探测器到将凝视遥远太阳系的望远镜。它们正在寻找地球上产生的生命迹象。一些正在寻找其他行星大气中的高氧含量。另一些正在寻找DNA碎片或细胞壁碎片。但如果存在非DNA基础的生命，我们可能会因为它们不符合我们的先入之见而忽视它们。
“我们可以观察已知生命形式如何在其环境中留下痕迹，”克里斯·亚当米（Chris Adami）在加州理工学院实验室的成员埃文·多恩（Evan Dorn）说，“但我们永远无法对它们做出普遍的陈述，因为我们只有一个例子。”
多恩说，Avida是第二个例子。他认为通过找出地球生命和Avida生命共有的模式，他将能够提供一些关于如何寻找宇宙中可能存在的生命的思路。
一些研究人员建议，寻找生命迹象的最佳方式是寻找奇特的化学物质。以蛋白质的组成部分——氨基酸为例，它们在陨石中被发现，也可以在实验室中通过简单地将电流通过氨和其他化合物来产生。在一个没有生命的环境中，最常见的氨基酸是最简单的：甘氨酸。一些略不简单的氨基酸也很常见，但所有较大的氨基酸只占微量或完全缺失。这是因为制造这些大氨基酸需要大量的能量。“在没有生命的情况下，化学物质的种类是有限的，”多恩说。
然而，如果你分析一勺土壤或池塘水，你会发现完全不同的氨基酸谱。生命已经进化出构建某些大氨基酸的方式，当生物体死亡时，这些大氨基酸就会在环境中漂浮。
如果另一个星球上的生命制造出与氨基酸截然不同的化合物呢？它会以某种相似的方式改变其星球的化学成分吗？
为了验证这个想法，多恩创造了一个没有生命的世界。每个细胞不是包含一个自我复制程序，而是包含一系列随机的命令。Avida语言中的所有命令都以相同的水平存在。这就是一个没有生命的星球的特征。
然后多恩开始将生物体放入这个世界，就像孢子落到地球上一样。在实验开始时，他将突变率设置得如此之高，以至于没有孢子能在星球上长时间复制。（想想火星，紫外线轰击着地表。）渐渐地，他降低了突变率，直到生命能够生存。“一旦环境变得宜居，生物体就接管并主宰了环境，”多恩说。
随着数字生物适应这个世界而进化，多恩发现一些命令变得稀少，另一些则变得普遍得多。这种独特的特征在生命能在星球上存活的情况下一直保持稳定。无论多恩重复多少次实验，同样的生命特征都会出现。无论是操纵氨基酸还是计算机命令，生命似乎都会留下相同的印记。“这给我们一个相当有力的迹象，表明这个过程是普遍的，”多恩说。
如果多恩是对的，那么发现非DNA生命的意义就会小一些，因为这意味着我们已经在地球上——在密歇根州东兰辛——偶然发现了它。
问题六：地球上的生命未来会是什么样子？
生命的一个标志是它能够适应我们控制它的努力。例如，抗生素曾被认为是能根除传染病的灵丹妙药。然而，仅仅几十年，细菌就进化出了一套防御机制，使得许多抗生素失效。
奥夫里亚发现，数字生物也有办法智胜他。不久前，他决定看看如果他阻止数字生物适应会发生什么。每当一个生物体发生突变时，他就会对其进行特殊测试，看这个突变是否有益。如果是有益的，他就杀死这个生物体。“你可能会认为这会阻止任何进一步的适应，”他说。然而，数字生物继续进化。它们学会了以新的方式处理信息，并能够更快地复制。奥夫里里花了一段时间才意识到它们骗了他。它们已经进化出一种方法，通过查看他提供给它们的数字来判断奥夫里里何时正在测试它们。一旦它们识别出自己正在被测试，它们就会停止处理数字。“如果这是一个测试环境，它们会说，‘让我们装死，’”奥夫里里说，“有东西来杀它们，所以它们避开它，继续它们的生活。”
当奥夫里亚描述这些进化的惊喜时，他的声音中充满了钦佩和懊悔。“我在这里吹嘘Avida是一个美妙的系统，你可以完全了解一切并控制你想要的一切——除了我无法让它们停止适应。生命总会找到出路。”
想到这些适应能力极强的生物潜伏在密歇根州立大学校园里，疯狂地吞噬着数据，可能会让人不安。Avida团队应该在隔离区工作吗？伦斯基认为Avida本身就起到了隔离作用，因为它的生物只能存在于它的计算机语言中。“它们生活在一个外星世界，”伦斯基说，“它们可能是来自火星的凶猛捕食者，但它们在这里就会死掉。”
不过，奥夫里亚承认，有害的计算机病毒最终可能会像他笼中的数字生物一样进化。“总有一天会发生，而且会很可怕，”奥夫里亚说，“最好现在就研究它们，这样我们才知道如何应对它们。”
