文/卡爾·齊默 譯/靳 萌 編輯/吳冠宇

手是怎么形成的（二）：至關(guān)重要的細(xì)胞

文/卡爾·齊默 譯/靳 萌 編輯/吳冠宇

在這些肉芽里，一些叫做間質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞呆在果凍狀的組織中。一片組織在肉芽的邊緣形成（叫做外胚層腺），刺激間質(zhì)細(xì)胞增長(zhǎng)。如果將這片外胚層腺取走，就不能形成肢體。如果給它加上一點(diǎn)，就會(huì)長(zhǎng)出多余的手指或肢體。

上帝之手與亞當(dāng)之手?！秳?chuàng)世紀(jì)》（Genesis）之《亞當(dāng)?shù)膭?chuàng)造》。 攝影/Micbelangelo Buonarroti/FOTOE

古爾德用一種簡(jiǎn)潔的方法闡明他的觀點(diǎn)。他讓我們?cè)O(shè)想，一個(gè)動(dòng)物體的生長(zhǎng)不是受某一個(gè)單一的定時(shí)器控制，而是由一整套定時(shí)器控制。

20世紀(jì)20年代，赫克爾的定律開(kāi)始自然而然地瓦解了。批評(píng)家們收集了一些中古時(shí)代的動(dòng)物化石，他們同赫克爾的觀點(diǎn)并不相符。有一些物種的成年體同它們祖先的胚胎是一樣的，進(jìn)化只是改變了其中的某一些器官，而身體的其他部分則沒(méi)有變化。再現(xiàn)各進(jìn)化階段的科學(xué)家們?cè)噲D將這些例子歸為例外，但是進(jìn)化生物學(xué)家則逐漸將注意力轉(zhuǎn)向了基因?qū)W的新發(fā)展。通過(guò)研究動(dòng)物的突變品種，他們發(fā)現(xiàn)基因能夠在胚胎生長(zhǎng)的任何階段產(chǎn)生變化。這時(shí)當(dāng)他們回顧赫克爾的說(shuō)法時(shí)，認(rèn)為那不過(guò)是一種奇怪論罷了。赫克爾的失敗使胚胎學(xué)家們感到十分尷尬，他們認(rèn)為，如果繼續(xù)用胚胎學(xué)來(lái)擴(kuò)展達(dá)爾文的理論，其結(jié)果只有失敗。他們將胚胎的細(xì)胞染色，制成幻燈片，觀察它們聚集在器官中或游離在身體里的形態(tài)，而并不去思考這些觀察結(jié)果對(duì)于進(jìn)化有什么意義。

雖然赫克爾的觀點(diǎn)有很多缺陷，但還不至于要被完全否定。從一些評(píng)估結(jié)果來(lái)看，一個(gè)物種的進(jìn)化變異過(guò)程70%與生長(zhǎng)過(guò)程最后步驟的增減有關(guān)。這個(gè)數(shù)據(jù)不能說(shuō)明生物起源學(xué)法則是一貫正確的，但是卻需要我們對(duì)此加以解釋。最近，科學(xué)家們才開(kāi)始重新考慮赫克爾的觀點(diǎn)，并同時(shí)開(kāi)始思考對(duì)胚胎的研究能如何指導(dǎo)他們建立完整的進(jìn)化論。這在很大程度上應(yīng)當(dāng)歸功于20世紀(jì)中期的英國(guó)生物學(xué)家加文·德·比爾（Gavin de Beer）和后來(lái)的斯蒂芬·杰伊·古爾德（Stephen Jay Gould）。他們認(rèn)為赫克爾認(rèn)識(shí)到了通過(guò)改變胚胎生長(zhǎng)過(guò)程中的時(shí)間安排而引起的變化，但他只發(fā)現(xiàn)了其中的一種。

古爾德用一種簡(jiǎn)潔的方法闡明他的觀點(diǎn)。他讓我們?cè)O(shè)想，一個(gè)動(dòng)物體的生長(zhǎng)不是受某一個(gè)單一的定時(shí)器控制，而是由一整套定時(shí)器控制。其中一個(gè)定時(shí)器可能是用來(lái)控制它的性成熟時(shí)間，而另一個(gè)則是控制它的身體生長(zhǎng)。如果重新設(shè)定這些定時(shí)器，就能夠創(chuàng)造一個(gè)新的生物。當(dāng)一個(gè)動(dòng)物體到達(dá)性成熟的階段并且停止生長(zhǎng)時(shí)，它的身體結(jié)構(gòu)可能只是僅僅達(dá)到了它的祖先少年期的樣子。這可能就是為什么一開(kāi)始黑猩猩的幼仔使那些去動(dòng)物園觀看它們的人受騙的原因。正如歐文所展示給我們的，人的頭和幼年黑猩猩的頭很像，而與成年黑猩猩則不那么像。如果不是如此，則一個(gè)動(dòng)物體有可能在小的時(shí)候經(jīng)歷了它的祖先的整個(gè)發(fā)育過(guò)程，并繼續(xù)發(fā)展下去，比如長(zhǎng)出更大的角，或者更多的盤(pán)旋角（shell coil）。這時(shí)科學(xué)家們認(rèn)為，在一個(gè)動(dòng)物體中有很多不同的定時(shí)器，每一個(gè)都控制著不同器官的生長(zhǎng)過(guò)程。比如，有一些蠑螈從未試圖脫離幼體狀態(tài)，一生都生活在水下，但是它們血液中的血紅蛋白則經(jīng)歷了變形而進(jìn)入成年?duì)顟B(tài)。

能挽救赫克爾觀點(diǎn)的另一個(gè)事實(shí)來(lái)自數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈（Alan Turing）的研究。長(zhǎng)期研究那些枯燥的、毫無(wú)情趣的數(shù)學(xué)的科學(xué)家有時(shí)會(huì)把研究生物學(xué)作為一種調(diào)劑，就像到一個(gè)蔥翠的小島上游玩一圈，得出一些重要的發(fā)現(xiàn)，而后又回到他們自己的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，埋頭工作。不管怎么樣，他們對(duì)自己說(shuō)，如果你明白電子和質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如果你能解微分方程式這樣復(fù)雜的問(wèn)題，你就知道生命是怎么樣運(yùn)行的了。但是，絕大多數(shù)的科學(xué)家一進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域就發(fā)現(xiàn)他們錯(cuò)了。生物學(xué)家們的這個(gè)小島看上去充滿芬芳的氣息，但實(shí)際上卻是一片沼澤地。他們不是一下子掉了下去，就是趕快撤了出去。但是，其中有些科學(xué)家，比如艾倫·圖靈，卻發(fā)現(xiàn)了一些新的生物學(xué)法則。

海星的細(xì)胞知道怎么樣把它變成星形，而豹子的皮膚細(xì)胞能讓它長(zhǎng)出斑點(diǎn)。

母親與嬰兒之手。 攝影/蔡憬/FOTOE

左：英國(guó)劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院的計(jì)算機(jī)房現(xiàn)在以圖靈為名。 攝影/孫虹/FOTOE

右：艾倫·圖靈(Alan Mathison Turing)，被譽(yù)為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父。

圖靈被譽(yù)為20世紀(jì)最有影響的數(shù)學(xué)家，他因創(chuàng)立了如夢(mèng)幻般的數(shù)理邏輯模型而著名。在20世紀(jì)30年代，他夢(mèng)想能創(chuàng)造一種機(jī)器，從中穿過(guò)1條紙帶，一頭連著地平線的盡頭，無(wú)限延伸下去。這條紙帶上標(biāo)有一系列機(jī)器能夠讀懂的數(shù)字0和1，這個(gè)機(jī)器通過(guò)讀這些數(shù)字，做出反應(yīng)，移動(dòng)紙帶，或者改變數(shù)字。圖靈證明，只需要4條規(guī)則，這個(gè)機(jī)器就能進(jìn)行加法運(yùn)算；再加上一些法則，它就能做乘法運(yùn)算。最后，圖靈證明如果給它足夠的紙帶和足夠的規(guī)則，它能進(jìn)行一切運(yùn)算。這個(gè)數(shù)理邏輯演示后來(lái)成為發(fā)明計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。這位23歲的數(shù)學(xué)家的夢(mèng)想在我們今天實(shí)現(xiàn)了。

第一次世界大戰(zhàn)期間，英國(guó)軍隊(duì)給了圖靈實(shí)現(xiàn)他的想法的機(jī)會(huì)。當(dāng)時(shí)他在破譯納粹軍隊(duì)密碼的工作中負(fù)重要責(zé)任，但他只是將這份工作看做圖靈機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式。戰(zhàn)后，他協(xié)助和領(lǐng)導(dǎo)研制了世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的工作，但就在這期間，他自己的生活遇到了挫折。在圖靈還是個(gè)十幾歲的少年時(shí)，他就是一個(gè)同性戀者，并一直小心地隱瞞著這點(diǎn)。然而當(dāng)他40歲時(shí)，他在一個(gè)電影院門(mén)口收留了一個(gè)年輕人。幾天后，他回到家里發(fā)現(xiàn)住宅被人破門(mén)而入，丟了一些東西，包括他的圓規(guī)、鞋子、食魚(yú)用的刀子等。他報(bào)警說(shuō)這個(gè)男孩偷了他的東西，但后來(lái)警察發(fā)現(xiàn)偷東西的人竟是圖靈的情人。于是，警方控告圖靈性行為不軌。為了不進(jìn)監(jiān)獄，圖靈接受了侮辱性的激素實(shí)驗(yàn)療法，并被從計(jì)算機(jī)和密碼系統(tǒng)學(xué)的研究中排擠了出去。兩年后，人們發(fā)現(xiàn)他死在床上，是由于吃了一片沾有氰化物的蘋(píng)果。

在圖靈生命的最后幾年中，他對(duì)生物學(xué)研究提出了許多想法。他想知道規(guī)則在自然界中是怎么體現(xiàn)的。人的卵子在受精之后，經(jīng)過(guò)幾次分裂，變成均勻的細(xì)胞球。而在這似乎沒(méi)有規(guī)則的圓球上，突然展開(kāi)了一幅畫(huà)卷，告訴我們胚胎生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程。海星的細(xì)胞知道怎樣把它變成星形，而豹子的皮膚細(xì)胞能讓它長(zhǎng)出斑點(diǎn)。當(dāng)圖靈思考這種自然規(guī)律時(shí)，離基因?qū)W家發(fā)現(xiàn)DNA還有幾年的時(shí)間。但是他們已經(jīng)深信，一定是基因在控制胚胎生長(zhǎng)的過(guò)程。這可能是通過(guò)蛋白質(zhì)將一張藍(lán)圖納入胚胎生長(zhǎng)過(guò)程來(lái)形成的。圖靈對(duì)此并不確定。如果細(xì)胞都在制造蛋白質(zhì)，那么蛋白質(zhì)均一地傳遞開(kāi)來(lái)則沒(méi)有規(guī)律而言。

20世紀(jì)早期的胚胎學(xué)家試圖從他們所說(shuō)的形態(tài)學(xué)領(lǐng)域來(lái)解釋這些規(guī)則。他們推測(cè)，胚胎細(xì)胞可以被看做電磁學(xué)在生物學(xué)上的類推。在胚胎中的眼睛形成之前，可以把尚未分化的細(xì)胞從它的頭部取下來(lái)，嫁接到身體的其他部位，而這部分細(xì)胞還是會(huì)形成眼睛。從另一方面說(shuō)，如果你把胚胎未分化的細(xì)胞嫁接到剛剛形成的肢體部分，這些嫁接的細(xì)胞被形態(tài)發(fā)生學(xué)原理所控制，忘記它過(guò)去的使命，同其他細(xì)胞一起形成腿。盡管基因?qū)W家們嘲笑形態(tài)發(fā)生學(xué)理論，認(rèn)為這實(shí)際上是十分神秘的，但是圖靈意識(shí)到，他能創(chuàng)立一些直截了當(dāng)?shù)囊?guī)則，就像計(jì)算機(jī)密碼一樣簡(jiǎn)單。

他提供了一個(gè)假設(shè)的例子?！斑@個(gè)模型是一個(gè)簡(jiǎn)化的理想化模型?！彼麑?xiě)道，“因而這是一個(gè)虛假的模型?！彼屪x者們想像有一串環(huán)狀的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞穩(wěn)定地形成兩種分子，我們把它們叫做α（阿爾法）和β（貝塔）。所有的細(xì)胞都是一樣的。在圖靈設(shè)想的實(shí)驗(yàn)中，一開(kāi)始，這個(gè)相同水平上的α和β處于一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)之下。α分子慢慢從環(huán)上的一個(gè)細(xì)胞擴(kuò)散到另一個(gè)細(xì)胞，加速生成α細(xì)胞和β細(xì)胞的過(guò)程。同時(shí)，β分子在阻止細(xì)胞形成α分子，而它繞這個(gè)環(huán)運(yùn)行的速度較快。圖靈證明，隨著這種變化的發(fā)生，最初分子間的平衡狀態(tài)不再穩(wěn)定，而是像一根立著的小棍子一樣隨時(shí)都會(huì)倒。只要一個(gè)細(xì)胞中α分子的數(shù)量發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致這種變化。如果一個(gè)細(xì)胞多產(chǎn)生了一點(diǎn)α分子，β分子也會(huì)隨之增加，像波浪一樣很快波及到周圍的細(xì)胞來(lái)減少α分子的數(shù)量。而當(dāng)一個(gè)細(xì)胞中α分子減少了，β分子也會(huì)減少，于是就會(huì)使α分子再次增加。這種反應(yīng)和波動(dòng)繞著整個(gè)細(xì)胞環(huán)擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，最終再次形成一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這時(shí)α分子和β分子就會(huì)形成繞著細(xì)胞環(huán)永遠(yuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的波浪。如果它們是色素，就會(huì)給整個(gè)環(huán)染上條紋。

沒(méi)有什么神秘的畫(huà)筆或基因圖給這些條紋染色?；蛑皇莿?chuàng)造了這些相互作用的分子，它們形成了一些規(guī)則，這就像是水結(jié)成冰，或者一組吉他的弦奏出和弦諧音那樣簡(jiǎn)單。圖靈用這個(gè)設(shè)想的實(shí)驗(yàn)顯示了生命復(fù)雜的運(yùn)行過(guò)程，而數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家們又將他的方法向前推進(jìn)了一步，模仿貝殼的花紋、斑馬的斑紋和海膽胚胎的螺旋結(jié)構(gòu)是怎么樣形成的。在20世紀(jì)80年代早期，一些科學(xué)家開(kāi)始研究圖靈的實(shí)驗(yàn)規(guī)則在肢體的形成中是否也發(fā)揮作用。

在人類胚胎中，一直到指頭根部的組織都死去了，使得人的手指能夠在長(zhǎng)大后可以穿針引線，吹奏樂(lè)器；而鴨子的腳就比較仁慈，細(xì)胞死亡得少，使得很多組織留在腳蹼間，形成槳狀。

無(wú)論是人的胚胎，還是雞和蠑螈的胚胎，一開(kāi)始都是沒(méi)有肢體的、彎曲的管狀組織。這個(gè)時(shí)候，它的脊索還很大，順著還是由一個(gè)圓柱體的腸子和被一系列管道撐著表皮的消化系統(tǒng)延伸下去。它的大腦還只有原始的部分，眼球剛剛形成。當(dāng)胚胎長(zhǎng)到24天時(shí)，新形成的腎臟部位的細(xì)胞發(fā)出一種信號(hào)，這些信號(hào)傳到胚胎側(cè)翼的細(xì)胞，聚集在胚胎表面。它們聚在一起像水泡一樣在肢體的肉芽上膨脹起來(lái)。在這些肉芽里，一些叫做間質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞呆在果凍狀的組織中。一片組織在肉芽的邊緣形成（叫做外胚層腺），刺激間質(zhì)細(xì)胞增長(zhǎng)。如果將這片外胚層腺取走，就不能形成肢體。如果給它加上一點(diǎn)，就會(huì)長(zhǎng)出多余的手指或肢體。只有靠近外胚層腺最近的間質(zhì)細(xì)胞，就是正在肉芽上形成的并從身體其他地方向外擴(kuò)展形成圓柱體的細(xì)胞，才是將要形成上肱骨的細(xì)胞。

一周以后，一些肉芽上的間質(zhì)細(xì)胞相互連接起來(lái)，形成未來(lái)的腿的樣子。它們聚在一起時(shí)，就變成了軟骨，從中分化出結(jié)締組織，構(gòu)成一個(gè)軟質(zhì)的模子。同時(shí)，血管延伸到肢體里面，又延伸到軟骨的中心。它們釋放出制造骨骼的細(xì)胞，充滿由軟骨形成的模子，而同時(shí)，絕大部分的軟骨組織慢慢死去。肌肉和肌腱連接在骨骼上，并隨著骨骼一同生長(zhǎng)。隨著手的生長(zhǎng)，許多細(xì)胞都死去了。細(xì)胞死去的數(shù)量取決于手指或腳趾將來(lái)的靈活程度。在人類胚胎中，一直到指頭根部的組織都死去了，使得人的手指能夠在長(zhǎng)大后可以穿針引線，吹奏樂(lè)器；而鴨子的腳就比較仁慈，細(xì)胞死亡得少，使得很多組織留在腳蹼間，形成槳狀。

間質(zhì)細(xì)胞聚集在一個(gè)柱狀組織中，這一點(diǎn)并不奇怪。但是它們是怎么知道連在肘上，形成尺骨和橈骨，后來(lái)又形成腕骨和手指的呢？也許解剖學(xué)并沒(méi)有同基因?qū)W結(jié)合到十分緊密的程度，能夠指明肉芽最終形成的肢體的自然形態(tài)和臨近間質(zhì)細(xì)胞間的相互作用。一些科學(xué)家們?cè)噲D從間質(zhì)細(xì)胞中隔藏著的化學(xué)變化來(lái)尋找與形態(tài)發(fā)生學(xué)有關(guān)的分子，另一些則在研究細(xì)胞相互連接的方式。一些間質(zhì)細(xì)胞順著肢體肉芽?jī)?nèi)部的黏性物質(zhì)游動(dòng)，就像一盆橘子果醬中的一滴。細(xì)胞膜的一部分變得黏稠，形成觸須，能伸出去并抓住它們所能碰到的任何東西。它們將自己拉起來(lái)，并拖到黏稠組織中的其他地方，它們的形狀改變得十分厲害，其他的細(xì)胞也因此被拖動(dòng)了。這些細(xì)胞的觸須很可能相互接觸，由于間質(zhì)細(xì)胞表面十分黏稠，它們就會(huì)相互粘連在一起。當(dāng)數(shù)量足夠多的細(xì)胞粘在一起時(shí)，細(xì)胞膜上的空洞就會(huì)釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，并在周圍黏稠物質(zhì)中溶解掉，使得周圍的細(xì)胞破裂開(kāi)來(lái)。

數(shù)千個(gè)細(xì)胞相互粘連在肢體肉芽的黏稠組織中，共同作用，就能夠改變整個(gè)肉芽的形狀。正如圖靈所說(shuō)的化學(xué)物質(zhì)的變化，這種力量就構(gòu)成了形態(tài)發(fā)生學(xué)領(lǐng)域的變化。當(dāng)一群加州大學(xué)伯克利分校的生物學(xué)家在喬治·奧斯特（George Oster）的領(lǐng)導(dǎo)下模擬這種力量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，自然而然地創(chuàng)造出了一種看上去就像正在生長(zhǎng)的肢體的東西。當(dāng)一只被刺激的肉芽出現(xiàn)在胚胎表面時(shí)，間質(zhì)細(xì)胞集中在一個(gè)單個(gè)的圓盤(pán)狀組織中。隨著外胚層腺附近細(xì)胞不斷增加，這個(gè)圓盤(pán)慢慢伸長(zhǎng)，變成一個(gè)圓柱體，這個(gè)圓柱體以后就會(huì)變成上肱骨。但是奧斯特的模型還顯示，細(xì)胞的牽引力使整個(gè)肢體變成了扁平形，進(jìn)而又使間質(zhì)細(xì)胞聚集的圓柱體變成了扁平形。隨著這些組織變成扁平形，間質(zhì)細(xì)胞之間的牽引力使圓柱體一分為二，就像汽車引擎蓋上的水滴因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔靡环譃槎?。它們變成了兩個(gè)較小的圓柱體，形狀和尺骨與橈骨相似。隨著這兩個(gè)圓柱體的生長(zhǎng)，它們也變成了扁平狀。在一個(gè)至關(guān)重要的開(kāi)端之后，這兩個(gè)圓柱體又分裂成更小的圓柱體，隱約顯出腕骨和手指的樣子。