这位科学家重新连接青蛙，使其长出额外的肢体。这对人类有用吗？

2000 年春天的一个早晨，迈克尔·莱文 (Michael Levin) 一屁股坐在椅子上，打开台式电脑。当时 30 岁的莱文刚刚成为哈佛大学的助理教授，他正在努力解决一个困扰科学界几个世纪的谜题：我们分裂的胚胎细胞如何知道在身体的哪一侧长出心脏、肝脏和胆囊？历史上有无数人出生时部分甚至全部器官被转位，但仍然正常运作。莱文怀疑这并非 DNA 的错，一定还有其他原因。几天前，他下令对六个处于组织发育边缘的小鸡胚胎进行成像测试。当他拿出结果时，他惊讶地盯着看。电荷以黄色和红色呈现，从左到右成片分布在细胞上，就像霓虹灯“这边”箭头一样清晰。莱文坐了下来，眨了眨眼睛。他有史以来第一次目睹了胚胎细胞通过电流相互区分左右。

几十年来，遗传学告诉我们一个简单的事实：我们身体里的每个细胞（有数十亿个）都包含着告诉我们如何生长的蓝图。但这可能不是全部。莱文和其他一些人现在表示，在我们细胞中涌动的微小生物电信号是启动基因表达的指令。这些信号在细胞开始长成心脏等器官时指引细胞朝正确的方向发展，并影响身体的形状和功能。二十年来，莱文一直在努力证明这一点。

如此一来，他创造了一个令人震惊的莫罗博士岛怪物动物园。他强迫蝌蚪在肠道上长出眼睛；诱导青蛙长出六条腿；让蠕虫长出两个头，而当头被切掉时，会像蝾螈被切断的尾巴一样重新长出来——所有这些都是通过操纵最微弱的生物电信号来实现的。

他现在想——不，他知道——他有一天会为人类做同样的事情。所以，如果一名士兵在战场上因炸弹而失去一只手臂，他只需长出一只新手臂即可。“我不知道这是否会比人类胎儿的正常生长过程更快，”莱文坐在他现在工作的塔夫茨大学的实验室办公室里说道，他一边照料着自己的作品，一边看着一大堆室内植物。“最糟糕的情况是：如果你在 25 岁时手臂被炸断，到 35 岁时，你将拥有一只十几岁的手，这只手的功能非常强大。”

为了做到这一点，莱文需要穿越极其微小的通道。每个细胞的表面都有中空的蛋白质，即离子通道。带电分子（或离子）通过这些通道涌入和离开细胞，改变细胞极性和电压梯度（即身体各处的电压差）。通道内的微小门控制着流动，根据某些信号打开和​​关闭；当足够多的门打开时，离子就会涌入细胞并改变其电荷。细胞通过另一组称为“间隙连接”的门控蛋白质将信息传递给相邻细胞。通过部署神经毒素等微观工具，莱文可以轻松地打开或阻塞通道，让离子涌入或扼杀通道。在这个过程中，他创造了大自然从未设计过的生物，我们中很少有人想象过。

“这个领域的最终目标，”莱文说，“是形状的完整规范。你可以坐在电脑前，就像在 Photoshop 中一样，画出你想要的东西，然后就出来了。如果你说，‘我想要一只七条腿的三角形青蛙，眼睛应该在这里，’我看不出有什么理由你不能这样做。”

这个目标听起来狂妄自大、荒谬可笑，简直是弗兰肯斯坦式的。即使是支持者——包括他之前的哈佛导师、发育生物学家克利夫·塔宾——也质疑他有争议的说法。尽管遗传学界现在认为离子通道在创造和区分体内器官位置方面发挥着作用，但许多人怀疑莱文能否驱动这一机制。“你如何控制它？”塔宾问道。“如果你正在设计系统的逻辑，你如何决定在哪里做头而不是在哪里做尾？你可能需要通道蛋白来做出这些决定，但这可能不是决定本身的关键。”

莱文不同意。他一生的事业、他的动力和目标就是证明他能用生物电解决任何问题。

莱文今年 47 岁，身材矮小，眼睛呈淡蓝色，胡须经常凌乱，他看起来很像原版《星际迷航》电视剧中的航海员帕维尔·契诃夫。最明显的特征是他额头上蓬松的棕色头发。但他也是俄罗斯人，契诃夫也是。尽管他小时候移民到马萨诸塞州波士顿北部的海滨小镇斯旺普斯科特，但他的波士顿口音有时却带有微妙的斯拉夫口音。

“这是我们制作的六足青蛙，它表明可以通过适当的电压梯度触发异位肢体形成，”莱文以他一贯的冷面无表情说道。他很少对自己的成果表现出惊讶、幽默，甚至一丝自鸣得意。他站在办公室外的走廊里，走廊里摆满了他令人不安的作品。就像音乐制作人的金唱片收藏一样，他挂了至少十几张海报大小的科学杂志封面放大图，比如 2007 年的《发展》一书，描绘了一只青蛙，它有两条腿、一条左臂，身体右侧有三个蟹臂状突起。

莱文 10 岁左右时，他的父亲会从数字设备公司（Digital Equipment Corporation）的编程工作中带回一些电脑，这家公司生产艾迪·墨菲（Eddie Murphy）警匪片中常见的那种方形电脑。莱文用这些电脑登录公司的主机来学习编程。15 岁时，他编写了一个版本的吃豆人（Pac-Man） ，创建了一个软件图形编辑器，并发表了一篇期刊论文，展示了如何使用三角学在 2D 屏幕上绘制类似 3D 的形状。

一年后，也就是 1986 年，莱文的父亲带着全家前往温哥华参加 86 年世博会（又称世界博览会）。这次经历改变了莱文的一生。单轨列车在头顶上嗡嗡作响。韵律操表演。通用汽车展示了一项新的全息技术。但莱文的灵感并非来自展馆或磁悬浮列车。而是来自温哥华市中心一家远离人群的小书店。

一天，莱文在商店的货架上翻找，发现了一本 1985 年出版的《人体电：电磁学与生命基础》，作者是罗伯特·贝克尔和加里·塞尔登。贝克尔是美国退伍军人管理局的一名骨科医生，他痴迷于生物电：我们的身体与磁场（比如电线）的相互作用方式，以及激励我们肌肉和大脑的脉冲。早在 18 世纪 80 年代，意大利物理学家路易吉·伽伐尼就通过将电极连接到死青蛙的腿上并使其抽搐，发现了动物电的存在。其他科学家后来发现，离子会将这种能量传递到全身。直到 20 世纪 30 年代和 40 年代，新工具才帮助研究人员了解到离子流可以控制细胞的极性。

贝克引用了这些研究，并补充了他自己实验的细节。他切断了青蛙和蝾螈的肢体，并在伤口处放置了一个电压表。他发现，在截肢后的 24 小时内，这两个物种的伤口处电压从 -10 mV 飙升至 +20 mV。但蝾螈的电压后来骤降至 -30 mV，这是肢体再生之前的模式。

贝克尔想知道，如果你能改变青蛙体内的电压，它是否也能做到同样的事情：重新长出断掉的肢体？他认为是的。但当时，他没有足够精确的工具来尝试。

当时只有 16 岁的莱文被这个问题深深地震撼了。回到家后，他追踪了贝克尔引用的每一项研究，仔细阅读，查找参考文献，然后继续阅读，最终找到了加尔瓦尼，一路上复印了数百篇论文。

他的痴迷一直只是一种爱好，是他真正工作（编码）的副业。尽管如此，它还是不断渗透到他的工作中。后来，作为塔夫茨大学计算机科学专业的学生，​​他想要创造一种人工智能，他认为这种人工智能需要有自我修复的能力。但要弄清楚如何让机器做到这一点，他首先需要弄清楚大自然是如何做到的。因此，他从物理实验室借了磁线圈，将它们缠绕在海胆胚胎上，并测量了电磁波改变细胞分裂速率的方式，这些发现促成了他的前两篇科学论文。到大四的时候，他创办了一家软件公司。但他真正想要的是加入一个研究实验室，做出改变科学的发现。因此，他离开了软件公司，很快进入了哈佛医学院塔宾的实验室。

当时，塔宾的团队已经确定了一种信号基因，该基因似乎在发育早期在身体左侧表达。他们知道一些关于该基因在后期的作用，但他们没有研究过为什么它会位于那个位置。他的博士后中没有一个人愿意去探究为什么和如何会存在这样的深层问题。“我有许多非常聪明、有才华、雄心勃勃的学生；他们中没有一个人愿意去碰它，”塔宾说。他们不想冒险将自己多年的生命投入黑洞。尽管论文导师对他抱有怀疑，但莱文一进入实验室就抓住了这个机会。塔宾说，莱文“正确地”意识到，这是一个尚未被探索的科学领域。“迈克，当他看到一个他认为很酷的想法时，他不会担心别人怎么想，”塔宾说。

莱文随后发现了控制身体部位左右对称的其他基因，并最终阐明了帮助指导这一行动的基因通路。但他仍然相信还有其他东西推动了信号的传播。到 2000 年，他知道这是生物电，但他需要更多地了解它的工作原理。一位同事使用了一种工具，可以根据电压使细胞发出红、绿、黄和蓝荧光。莱文请他在一些鸡胚上试用。然后，在 2000 年春天的一天，结果就出来了：证明电在基因表达中发挥了关键作用，影响了器官生长的位置和时间。

激发断肢再生并非新鲜事。20 世纪 70 年代，生物学家莱昂内尔·雅菲 (Lionel Jaffe) 和理查德·博根斯 (Richard Borgens) 等先驱者证明，他们可以通过施加电流激发青蛙肢体再生的开始。但他们的实验使用的是简单的电池。莱文是第一个在细胞水平上精确调整生物电信号并试图破解其对细胞意义的密码的人。在塔夫茨大学，他建立了一个复杂的工具箱来做到这一点。这些工具包括：神经毒素和药物，它们可以阻断原本保持开放的离子通道，或打开原本保持关闭的离子通道；RNA，它们也可以编码新的通道，莱文通过玻璃微量移液器将其注入细胞；可以将离子输送过细胞膜的分子；以及编码离子通道的基因（由大脑、肾脏和肠道专家发现）。他使用荧光蛋白和染料来追踪电压变化的影响，随着电压梯度的上升，荧光蛋白和染料会变得更亮。

每个细胞表面都有数百个离子通道。但只有一两个离子通道控制这些电压梯度，因此莱文可以轻松操纵它们。例如，只有四个通道充当主控制旋钮，决定器官是否生长在身体的正确一侧。调整其中任何一个通道都会使器官的位置随机化。莱文只需增加一个额外的通道，就能在蝌蚪的肠道上长出眼睛。“如果你问‘眼睛从哪里来的？’你看看胚胎，就会发现有一种特定的生物电模式可以建立内源性眼场，”莱文解释说。“现在，如果我在其他地方建立同样的模式，我会长出眼睛吗？答案是肯定的。”

诱导肢体再生需要额外的细心照料。为了让蝌蚪重新长出尾巴，莱文将伤口浸泡在溶液中，让带电离子充满其细胞。浸泡时间：一小时。八天后：新尾巴长出。要重新长出肢体，需要浸泡 24 小时。一条功能正常的腿需要大约六个月。莱文说，浸泡的目的是“启动基因表达和细胞行为的所有其他级联反应”。

莱文面临着为人类或任何温血哺乳动物做同样事情的挑战。首先，温血动物的血压比爬行动物高得多。因此，如果伤口没有结痂覆盖，出血的风险很大。其次，温血动物的肢体生长速度较慢，感染的风险更大。而且，就像任何动物一样，身体会通过炎症来对抗感染，这可能会抑制细胞生长。此外，为了在伤口周围传导电流，伤口必须保持湿润并避免空气进入。

莱文与塔夫茨大学生物医学工程系主任戴维·卡普兰共同开发了一种防水的生物穹顶，放置在动物的伤口处。莱文希望人类截肢者只需佩戴几个小时，时间刚好够给细胞发出开始生长的初始信号。它由硅树脂、橡胶和丝绸制成，包含一个类似于胚胎周围的水生栖息地，但里面充满了可以触发肢体再生的离子操纵工具。两人将生物穹顶放在青蛙断肢上，帮助青蛙重新长出功能正常的腿。“工具就在那里，”卡普兰说。“只是让所有东西协同工作，所以这只是时间问题。”

莱文的研究成果可能很快就会改变癌症治疗。今年三月，他和同事利用光操纵生物电信号逆转了青蛙的癌性肿瘤，这一发现登上了全球头条。莱文说，许多癌性肿瘤都有异常的生物电信号，表现为大量细胞去极化。他认为，正是这种不稳定的信号导致它们生长和扩散。

或许有一天，我们能够诱导异常细胞回到正常组织，而不是用化疗摧毁身体。他还展示了他可以逆转胚胎出生缺陷，例如青蛙的畸形前脑，这种缺陷与父母酗酒导致的人类胚胎缺陷相似。

医生已经使用离子通道药物治疗某些心脏和神经疾病。莱文表示，同样的药物可能用于治疗癌症和纠正出生缺陷（如果在胚胎中检测到），方法是恢复必要的信号。“我敢打赌，这将在未来 25 年内实现，”莱文说。“我比较保守，但我认为在我有生之年，我们会看到这一点。”

并非所有人都确信这一点。再生医学领域的大部分研究都是围绕基因组和干细胞展开的。尽管一些科学家认为这种单一的关注点忽略了其他潜在因素（例如生物电），但科学界总体上还没有完全接受莱文关于生物电是主要诱因的断言。

“为了让我们完全理解他所谈论的很多事情，我认为应该有更多机械方面的见解，”耶鲁系统生物研究所所长、生物医学工程师 Andre Levchenko 表示。“我们应该以与控制细胞功能的遗传信息相同的水平和清晰度来理解。我们对电势的理解还不够深入。如果他的目标是获得同样的理解水平，那么这是值得称赞的。他应该得到支持。这显然是故事的一部分。”

尽管仍有疑虑，莱文的实验还是得到了美国国立卫生研究院的大力支持。去年 4 月，微软联合创始人、亿万富翁保罗·G·艾伦创办的保罗·G·艾伦前沿研究小组 (Paul G. Allen Frontiers Group) 为他提供了 1000 万美元的资助，这笔资金可能会激增至 3000 万美元。该小组的执行董事托马斯·C·斯卡拉克 (Thomas C. Skalak) 回忆起莱文在去年冬天用幻灯片展示他的发明后发表演讲时所引起的反应。“这真是惊天动地，”斯卡拉克说。“人们说这彻底改变了他们对生物学的看法，他们从未见过这样的数据，即在基因改变的水平之上，生物体的形态可以发生永久性改变。这真是令人大开眼界。”他希望莱文能开辟生物科学的新领域。“我们期待它迅速发展，”他说。

莱文也是如此。他最雄心勃勃的目标是培育出任何他想要的形状，无论是在实验室还是在子宫内。这种理解水平意味着他可以治愈任何疾病。他正在利用自己的计算机技能来实现这一目标。他正在设计计算模型和人工智能程序，以分析和预测梯度变化如何影响生物体的形状和功能——本质上就是破解生命的生物电密码，以便完全控制它。

“目前我们对此了解甚少，”莱文说。“我们需要做更多才能真正实现良好控制。”他将其比作脑科学。我们知道记忆嵌入大脑，但神经科学家不知道如何调整特定的神经元状态来编辑它们。“我们也一样，”莱文说。“我们知道电特性在组织中编码一种模式记忆，从而导致形态变化。但我们才刚刚开始了解连接这些模式的公式。”他补充道：“我很乐观，我们将看到长期成果。这非常困难。这是前沿的东西。但你和我将在有生之年看到它。”

亚当·皮奥雷 (Adam Piore) 是《健美者：人体工程学的科学内幕》一书的作者。

本文最初发表于《大众科学》杂志2017年1月/2月刊，标题为“身体电工”。