手是怎么形成的（二）：至關(guān)重要的細胞

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)細胞的細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)細胞增長。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，就會長出多余的手指或肢體。

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

古爾德用一種簡潔的方法闡明他的觀點。他讓我們設(shè)想，一個動物體的生長不是受某一個單一的定時器控制，而是由一整套定時器控制。

20世紀20年代，赫克爾的定律開始自然而然地瓦解了。批評家們收集了一些中古時代的動物化石，他們同赫克爾的觀點并不相符。有一些物種的成年體同它們祖先的胚胎是一樣的，進化只是改變了其中的某一些器官，而身體的其他部分則沒有變化。再現(xiàn)各進化階段的科學家們試圖將這些例子歸為例外，但是進化生物學家則逐漸將注意力轉(zhuǎn)向了基因?qū)W的新發(fā)展。通過研究動物的突變品種，他們發(fā)現(xiàn)基因能夠在胚胎生長的任何階段產(chǎn)生變化。這時當他們回顧赫克爾的說法時，認為那不過是一種奇怪論罷了。赫克爾的失敗使胚胎學家們感到十分尷尬，他們認為，如果繼續(xù)用胚胎學來擴展達爾文的理論，其結(jié)果只有失敗。他們將胚胎的細胞染色，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)果對于進化有什么意義。

雖然赫克爾的觀點有很多缺陷，但還不至于要被完全否定。從一些評估結(jié)果來看，一個物種的進化變異過程70%與生長過程最后步驟的增減有關(guān)。這個數(shù)據(jù)不能說明生物起源學法則是一貫正確的，但是卻需要我們對此加以解釋。最近，科學家們才開始重新考慮赫克爾的觀點，并同時開始思考對胚胎的研究能如何指導他們建立完整的進化論。這在很大程度上應(yīng)當歸功于20世紀中期的英國生物學家加文·德·比爾（Gavin de Beer）和后來的斯蒂芬·杰伊·古爾德（Stephen Jay Gould）。他們認為赫克爾認識到了通過改變胚胎生長過程中的時間安排而引起的變化，但他只發(fā)現(xiàn)了其中的一種。

古爾德用一種簡潔的方法闡明他的觀點。他讓我們設(shè)想，一個動物體的生長不是受某一個單一的定時器控制，而是由一整套定時器控制。其中一個定時器可能是用來控制它的性成熟時間，而另一個則是控制它的身體生長。如果重新設(shè)定這些定時器，就能夠創(chuàng)造一個新的生物。當一個動物體到達性成熟的階段并且停止生長時，它的身體結(jié)構(gòu)可能只是僅僅達到了它的祖先少年期的樣子。這可能就是為什么一開始黑猩猩的幼仔使那些去動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，則一個動物體有可能在小的時候經(jīng)歷了它的祖先的整個發(fā)育過程，并繼續(xù)發(fā)展下去，比如長出更大的角，或者更多的盤旋角（shell coil）。這時科學家們認為，在一個動物體中有很多不同的定時器，每一個都控制著不同器官的生長過程。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)歷了變形而進入成年狀態(tài)。

能挽救赫克爾觀點的另一個事實來自數(shù)學家艾倫·圖靈（Alan Turing）的研究。長期研究那些枯燥的、毫無情趣的數(shù)學的科學家有時會把研究生物學作為一種調(diào)劑，就像到一個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)學領(lǐng)域，埋頭工作。不管怎么樣，他們對自己說，如果你明白電子和質(zhì)子的運動規(guī)律，如果你能解微分方程式這樣復雜的問題，你就知道生命是怎么樣運行的了。但是，絕大多數(shù)的科學家一進入這個領(lǐng)域就發(fā)現(xiàn)他們錯了。生物學家們的這個小島看上去充滿芬芳的氣息，但實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，其中有些科學家，比如艾倫·圖靈，卻發(fā)現(xiàn)了一些新的生物學法則。

海星的細胞知道怎么樣把它變成星形，而豹子的皮膚細胞能讓它長出斑點。

母親與嬰兒之手。 攝影/蔡憬/FOTOE

左：英國劍橋大學國王學院的計算機房現(xiàn)在以圖靈為名。 攝影/孫虹/FOTOE

右：艾倫·圖靈(Alan Mathison Turing)，被譽為計算機科學之父、人工智能之父。

圖靈被譽為20世紀最有影響的數(shù)學家，他因創(chuàng)立了如夢幻般的數(shù)理邏輯模型而著名。在20世紀30年代，他夢想能創(chuàng)造一種機器，從中穿過1條紙帶，一頭連著地平線的盡頭，無限延伸下去。這條紙帶上標有一系列機器能夠讀懂的數(shù)字0和1，這個機器通過讀這些數(shù)字，做出反應(yīng)，移動紙帶，或者改變數(shù)字。圖靈證明，只需要4條規(guī)則，這個機器就能進行加法運算；再加上一些法則，它就能做乘法運算。最后，圖靈證明如果給它足夠的紙帶和足夠的規(guī)則，它能進行一切運算。這個數(shù)理邏輯演示后來成為發(fā)明計算機的基礎(chǔ)。這位23歲的數(shù)學家的夢想在我們今天實現(xiàn)了。

第一次世界大戰(zhàn)期間，英國軍隊給了圖靈實現(xiàn)他的想法的機會。當時他在破譯納粹軍隊密碼的工作中負重要責任，但他只是將這份工作看做圖靈機的實現(xiàn)形式。戰(zhàn)后，他協(xié)助和領(lǐng)導研制了世界上第一臺計算機的工作，但就在這期間，他自己的生活遇到了挫折。在圖靈還是個十幾歲的少年時，他就是一個同性戀者，并一直小心地隱瞞著這點。然而當他40歲時，他在一個電影院門口收留了一個年輕人。幾天后，他回到家里發(fā)現(xiàn)住宅被人破門而入，丟了一些東西，包括他的圓規(guī)、鞋子、食魚用的刀子等。他報警說這個男孩偷了他的東西，但后來警察發(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。為了不進監(jiān)獄，圖靈接受了侮辱性的激素實驗療法，并被從計算機和密碼系統(tǒng)學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果。

在圖靈生命的最后幾年中，他對生物學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)過幾次分裂，變成均勻的細胞球。而在這似乎沒有規(guī)則的圓球上，突然展開了一幅畫卷，告訴我們胚胎生長的整個過程。海星的細胞知道怎樣把它變成星形，而豹子的皮膚細胞能讓它長出斑點。當圖靈思考這種自然規(guī)律時，離基因?qū)W家發(fā)現(xiàn)DNA還有幾年的時間。但是他們已經(jīng)深信，一定是基因在控制胚胎生長的過程。這可能是通過蛋白質(zhì)將一張藍圖納入胚胎生長過程來形成的。圖靈對此并不確定。如果細胞都在制造蛋白質(zhì)，那么蛋白質(zhì)均一地傳遞開來則沒有規(guī)律而言。

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

他提供了一個假設(shè)的例子?！斑@個模型是一個簡化的理想化模型?！彼麑懙?，“因而這是一個虛假的模型?！彼屪x者們想像有一串環(huán)狀的細胞，每個細胞穩(wěn)定地形成兩種分子，我們把它們叫做α（阿爾法）和β（貝塔）。所有的細胞都是一樣的。在圖靈設(shè)想的實驗中，一開始，這個相同水平上的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)上的一個細胞擴散到另一個細胞，加速生成α細胞和β細胞的過程。同時，β分子在阻止細胞形成α分子，而它繞這個環(huán)運行的速度較快。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都會倒。只要一個細胞中α分子的數(shù)量發(fā)生變化，就會導致這種變化。如果一個細胞多產(chǎn)生了一點α分子，β分子也會隨之增加，像波浪一樣很快波及到周圍的細胞來減少α分子的數(shù)量。而當一個細胞中α分子減少了，β分子也會減少，于是就會使α分子再次增加。這種反應(yīng)和波動繞著整個細胞環(huán)擴展開來，最終再次形成一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這時α分子和β分子就會形成繞著細胞環(huán)永遠往復運動的波浪。如果它們是色素，就會給整個環(huán)染上條紋。

沒有什么神秘的畫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單。圖靈用這個設(shè)想的實驗顯示了生命復雜的運行過程，而數(shù)學家、生物學家們又將他的方法向前推進了一步，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80年代早期，一些科學家開始研究圖靈的實驗規(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大后可以穿針引線，吹奏樂器；而鴨子的腳就比較仁慈，細胞死亡得少，使得很多組織留在腳蹼間，形成槳狀。

無論是人的胚胎，還是雞和蠑螈的胚胎，一開始都是沒有肢體的、彎曲的管狀組織。這個時候，它的脊索還很大，順著還是由一個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。當胚胎長到24天時，新形成的腎臟部位的細胞發(fā)出一種信號，這些信號傳到胚胎側(cè)翼的細胞，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。在這些肉芽里，一些叫做間質(zhì)細胞的細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)細胞增長。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，就會長出多余的手指或肢體。只有靠近外胚層腺最近的間質(zhì)細胞，就是正在肉芽上形成的并從身體其他地方向外擴展形成圓柱體的細胞，才是將要形成上肱骨的細胞。

一周以后，一些肉芽上的間質(zhì)細胞相互連接起來，形成未來的腿的樣子。它們聚在一起時，就變成了軟骨，從中分化出結(jié)締組織，構(gòu)成一個軟質(zhì)的模子。同時，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胞，充滿由軟骨形成的模子，而同時，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。隨著手的生長，許多細胞都死去了。細胞死去的數(shù)量取決于手指或腳趾將來的靈活程度。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大后可以穿針引線，吹奏樂器；而鴨子的腳就比較仁慈，細胞死亡得少，使得很多組織留在腳蹼間，形成槳狀。

間質(zhì)細胞聚集在一個柱狀組織中，這一點并不奇怪。但是它們是怎么知道連在肘上，形成尺骨和橈骨，后來又形成腕骨和手指的呢？也許解剖學并沒有同基因?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)細胞間的相互作用。一些科學家們試圖從間質(zhì)細胞中隔藏著的化學變化來尋找與形態(tài)發(fā)生學有關(guān)的分子，另一些則在研究細胞相互連接的方式。一些間質(zhì)細胞順著肢體肉芽內(nèi)部的黏性物質(zhì)游動，就像一盆橘子果醬中的一滴。細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，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，其他的細胞也因此被拖動了。這些細胞的觸須很可能相互接觸，由于間質(zhì)細胞表面十分黏稠，它們就會相互粘連在一起。當數(shù)量足夠多的細胞粘在一起時，細胞膜上的空洞就會釋放出一些化學物質(zhì)，并在周圍黏稠物質(zhì)中溶解掉，使得周圍的細胞破裂開來。

數(shù)千個細胞相互粘連在肢體肉芽的黏稠組織中，共同作用，就能夠改變整個肉芽的形狀。正如圖靈所說的化學物質(zhì)的變化，這種力量就構(gòu)成了形態(tài)發(fā)生學領(lǐng)域的變化。當一群加州大學伯克利分校的生物學家在喬治·奧斯特（George Oster）的領(lǐng)導下模擬這種力量時，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的肢體的東西。當一只被刺激的肉芽出現(xiàn)在胚胎表面時，間質(zhì)細胞集中在一個單個的圓盤狀組織中。隨著外胚層腺附近細胞不斷增加，這個圓盤慢慢伸長，變成一個圓柱體，這個圓柱體以后就會變成上肱骨。但是奧斯特的模型還顯示，細胞的牽引力使整個肢體變成了扁平形，進而又使間質(zhì)細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為表面張力的作用一分為二。它們變成了兩個較小的圓柱體，形狀和尺骨與橈骨相似。隨著這兩個圓柱體的生長，它們也變成了扁平狀。在一個至關(guān)重要的開端之后，這兩個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。