手是怎么形成的（二）：至关重要的细胞

文/卡尔·齐默 译/靳 萌 编辑/吴冠宇

手是怎么形成的（二）：至关重要的细胞

文/卡尔·齐默 译/靳 萌 编辑/吴冠宇

在这些肉芽里，一些叫做间质细胞的细胞呆在果冻状的组织中。一片组织在肉芽的边缘形成（叫做外胚层腺），刺激间质细胞增长。如果将这片外胚层腺取走，就不能形成肢体。如果给它加上一点，就会长出多余的手指或肢体。

上帝之手与亚当之手。《创世纪》（Genesis）之《亚当的创造》。 摄影/Micbelangelo Buonarroti/FOTOE

古尔德用一种简洁的方法阐明他的观点。他让我们设想，一个动物体的生长不是受某一个单一的定时器控制，而是由一整套定时器控制。

20世纪20年代，赫克尔的定律开始自然而然地瓦解了。批评家们收集了一些中古时代的动物化石，他们同赫克尔的观点并不相符。有一些物种的成年体同它们祖先的胚胎是一样的，进化只是改变了其中的某一些器官，而身体的其他部分则没有变化。再现各进化阶段的科学家们试图将这些例子归为例外，但是进化生物学家则逐渐将注意力转向了基因学的新发展。通过研究动物的突变品种，他们发现基因能够在胚胎生长的任何阶段产生变化。这时当他们回顾赫克尔的说法时，认为那不过是一种奇怪论罢了。赫克尔的失败使胚胎学家们感到十分尴尬，他们认为，如果继续用胚胎学来扩展达尔文的理论，其结果只有失败。他们将胚胎的细胞染色，制成幻灯片，观察它们聚集在器官中或游离在身体里的形态，而并不去思考这些观察结果对于进化有什么意义。

虽然赫克尔的观点有很多缺陷，但还不至于要被完全否定。从一些评估结果来看，一个物种的进化变异过程70%与生长过程最后步骤的增减有关。这个数据不能说明生物起源学法则是一贯正确的，但是却需要我们对此加以解释。最近，科学家们才开始重新考虑赫克尔的观点，并同时开始思考对胚胎的研究能如何指导他们建立完整的进化论。这在很大程度上应当归功于20世纪中期的英国生物学家加文·德·比尔（Gavin de Beer）和后来的斯蒂芬·杰伊·古尔德（Stephen Jay Gould）。他们认为赫克尔认识到了通过改变胚胎生长过程中的时间安排而引起的变化，但他只发现了其中的一种。

古尔德用一种简洁的方法阐明他的观点。他让我们设想，一个动物体的生长不是受某一个单一的定时器控制，而是由一整套定时器控制。其中一个定时器可能是用来控制它的性成熟时间，而另一个则是控制它的身体生长。如果重新设定这些定时器，就能够创造一个新的生物。当一个动物体到达性成熟的阶段并且停止生长时，它的身体结构可能只是仅仅达到了它的祖先少年期的样子。这可能就是为什么一开始黑猩猩的幼仔使那些去动物园观看它们的人受骗的原因。正如欧文所展示给我们的，人的头和幼年黑猩猩的头很像，而与成年黑猩猩则不那么像。如果不是如此，则一个动物体有可能在小的时候经历了它的祖先的整个发育过程，并继续发展下去，比如长出更大的角，或者更多的盘旋角（shell coil）。这时科学家们认为，在一个动物体中有很多不同的定时器，每一个都控制着不同器官的生长过程。比如，有一些蝾螈从未试图脱离幼体状态，一生都生活在水下，但是它们血液中的血红蛋白则经历了变形而进入成年状态。

能挽救赫克尔观点的另一个事实来自数学家艾伦·图灵（Alan Turing）的研究。长期研究那些枯燥的、毫无情趣的数学的科学家有时会把研究生物学作为一种调剂，就像到一个葱翠的小岛上游玩一圈，得出一些重要的发现，而后又回到他们自己的数学领域，埋头工作。不管怎么样，他们对自己说，如果你明白电子和质子的运动规律，如果你能解微分方程式这样复杂的问题，你就知道生命是怎么样运行的了。但是，绝大多数的科学家一进入这个领域就发现他们错了。生物学家们的这个小岛看上去充满芬芳的气息，但实际上却是一片沼泽地。他们不是一下子掉了下去，就是赶快撤了出去。但是，其中有些科学家，比如艾伦·图灵，却发现了一些新的生物学法则。

海星的细胞知道怎么样把它变成星形，而豹子的皮肤细胞能让它长出斑点。

母亲与婴儿之手。 摄影/蔡憬/FOTOE

左：英国剑桥大学国王学院的计算机房现在以图灵为名。 摄影/孙虹/FOTOE

右：艾伦·图灵(Alan Mathison Turing)，被誉为计算机科学之父、人工智能之父。

图灵被誉为20世纪最有影响的数学家，他因创立了如梦幻般的数理逻辑模型而著名。在20世纪30年代，他梦想能创造一种机器，从中穿过1条纸带，一头连着地平线的尽头，无限延伸下去。这条纸带上标有一系列机器能够读懂的数字0和1，这个机器通过读这些数字，做出反应，移动纸带，或者改变数字。图灵证明，只需要4条规则，这个机器就能进行加法运算；再加上一些法则，它就能做乘法运算。最后，图灵证明如果给它足够的纸带和足够的规则，它能进行一切运算。这个数理逻辑演示后来成为发明计算机的基础。这位23岁的数学家的梦想在我们今天实现了。

第一次世界大战期间，英国军队给了图灵实现他的想法的机会。当时他在破译纳粹军队密码的工作中负重要责任，但他只是将这份工作看做图灵机的实现形式。战后，他协助和领导研制了世界上第一台计算机的工作，但就在这期间，他自己的生活遇到了挫折。在图灵还是个十几岁的少年时，他就是一个同性恋者，并一直小心地隐瞒着这点。然而当他40岁时，他在一个电影院门口收留了一个年轻人。几天后，他回到家里发现住宅被人破门而入，丢了一些东西，包括他的圆规、鞋子、食鱼用的刀子等。他报警说这个男孩偷了他的东西，但后来警察发现偷东西的人竟是图灵的情人。于是，警方控告图灵性行为不轨。为了不进监狱，图灵接受了侮辱性的激素实验疗法，并被从计算机和密码系统学的研究中排挤了出去。两年后，人们发现他死在床上，是由于吃了一片沾有氰化物的苹果。

在图灵生命的最后几年中，他对生物学研究提出了许多想法。他想知道规则在自然界中是怎么体现的。人的卵子在受精之后，经过几次分裂，变成均匀的细胞球。而在这似乎没有规则的圆球上，突然展开了一幅画卷，告诉我们胚胎生长的整个过程。海星的细胞知道怎样把它变成星形，而豹子的皮肤细胞能让它长出斑点。当图灵思考这种自然规律时，离基因学家发现DNA还有几年的时间。但是他们已经深信，一定是基因在控制胚胎生长的过程。这可能是通过蛋白质将一张蓝图纳入胚胎生长过程来形成的。图灵对此并不确定。如果细胞都在制造蛋白质，那么蛋白质均一地传递开来则没有规律而言。

20世纪早期的胚胎学家试图从他们所说的形态学领域来解释这些规则。他们推测，胚胎细胞可以被看做电磁学在生物学上的类推。在胚胎中的眼睛形成之前，可以把尚未分化的细胞从它的头部取下来，嫁接到身体的其他部位，而这部分细胞还是会形成眼睛。从另一方面说，如果你把胚胎未分化的细胞嫁接到刚刚形成的肢体部分，这些嫁接的细胞被形态发生学原理所控制，忘记它过去的使命，同其他细胞一起形成腿。尽管基因学家们嘲笑形态发生学理论，认为这实际上是十分神秘的，但是图灵意识到，他能创立一些直截了当的规则，就像计算机密码一样简单。

他提供了一个假设的例子。“这个模型是一个简化的理想化模型。”他写道，“因而这是一个虚假的模型。”他让读者们想像有一串环状的细胞，每个细胞稳定地形成两种分子，我们把它们叫做α（阿尔法）和β（贝塔）。所有的细胞都是一样的。在图灵设想的实验中，一开始，这个相同水平上的α和β处于一种稳定的平衡状态之下。α分子慢慢从环上的一个细胞扩散到另一个细胞，加速生成α细胞和β细胞的过程。同时，β分子在阻止细胞形成α分子，而它绕这个环运行的速度较快。图灵证明，随着这种变化的发生，最初分子间的平衡状态不再稳定，而是像一根立着的小棍子一样随时都会倒。只要一个细胞中α分子的数量发生变化，就会导致这种变化。如果一个细胞多产生了一点α分子，β分子也会随之增加，像波浪一样很快波及到周围的细胞来减少α分子的数量。而当一个细胞中α分子减少了，β分子也会减少，于是就会使α分子再次增加。这种反应和波动绕着整个细胞环扩展开来，最终再次形成一个稳定的平衡状态。这时α分子和β分子就会形成绕着细胞环永远往复运动的波浪。如果它们是色素，就会给整个环染上条纹。

没有什么神秘的画笔或基因图给这些条纹染色。基因只是创造了这些相互作用的分子，它们形成了一些规则，这就像是水结成冰，或者一组吉他的弦奏出和弦谐音那样简单。图灵用这个设想的实验显示了生命复杂的运行过程，而数学家、生物学家们又将他的方法向前推进了一步，模仿贝壳的花纹、斑马的斑纹和海胆胚胎的螺旋结构是怎么样形成的。在20世纪80年代早期，一些科学家开始研究图灵的实验规则在肢体的形成中是否也发挥作用。

在人类胚胎中，一直到指头根部的组织都死去了，使得人的手指能够在长大后可以穿针引线，吹奏乐器；而鸭子的脚就比较仁慈，细胞死亡得少，使得很多组织留在脚蹼间，形成桨状。

无论是人的胚胎，还是鸡和蝾螈的胚胎，一开始都是没有肢体的、弯曲的管状组织。这个时候，它的脊索还很大，顺着还是由一个圆柱体的肠子和被一系列管道撑着表皮的消化系统延伸下去。它的大脑还只有原始的部分，眼球刚刚形成。当胚胎长到24天时，新形成的肾脏部位的细胞发出一种信号，这些信号传到胚胎侧翼的细胞，聚集在胚胎表面。它们聚在一起像水泡一样在肢体的肉芽上膨胀起来。在这些肉芽里，一些叫做间质细胞的细胞呆在果冻状的组织中。一片组织在肉芽的边缘形成（叫做外胚层腺），刺激间质细胞增长。如果将这片外胚层腺取走，就不能形成肢体。如果给它加上一点，就会长出多余的手指或肢体。只有靠近外胚层腺最近的间质细胞，就是正在肉芽上形成的并从身体其他地方向外扩展形成圆柱体的细胞，才是将要形成上肱骨的细胞。

一周以后，一些肉芽上的间质细胞相互连接起来，形成未来的腿的样子。它们聚在一起时，就变成了软骨，从中分化出结缔组织，构成一个软质的模子。同时，血管延伸到肢体里面，又延伸到软骨的中心。它们释放出制造骨骼的细胞，充满由软骨形成的模子，而同时，绝大部分的软骨组织慢慢死去。肌肉和肌腱连接在骨骼上，并随着骨骼一同生长。随着手的生长，许多细胞都死去了。细胞死去的数量取决于手指或脚趾将来的灵活程度。在人类胚胎中，一直到指头根部的组织都死去了，使得人的手指能够在长大后可以穿针引线，吹奏乐器；而鸭子的脚就比较仁慈，细胞死亡得少，使得很多组织留在脚蹼间，形成桨状。

间质细胞聚集在一个柱状组织中，这一点并不奇怪。但是它们是怎么知道连在肘上，形成尺骨和桡骨，后来又形成腕骨和手指的呢？也许解剖学并没有同基因学结合到十分紧密的程度，能够指明肉芽最终形成的肢体的自然形态和临近间质细胞间的相互作用。一些科学家们试图从间质细胞中隔藏着的化学变化来寻找与形态发生学有关的分子，另一些则在研究细胞相互连接的方式。一些间质细胞顺着肢体肉芽内部的黏性物质游动，就像一盆橘子果酱中的一滴。细胞膜的一部分变得黏稠，形成触须，能伸出去并抓住它们所能碰到的任何东西。它们将自己拉起来，并拖到黏稠组织中的其他地方，它们的形状改变得十分厉害，其他的细胞也因此被拖动了。这些细胞的触须很可能相互接触，由于间质细胞表面十分黏稠，它们就会相互粘连在一起。当数量足够多的细胞粘在一起时，细胞膜上的空洞就会释放出一些化学物质，并在周围黏稠物质中溶解掉，使得周围的细胞破裂开来。

数千个细胞相互粘连在肢体肉芽的黏稠组织中，共同作用，就能够改变整个肉芽的形状。正如图灵所说的化学物质的变化，这种力量就构成了形态发生学领域的变化。当一群加州大学伯克利分校的生物学家在乔治·奥斯特（George Oster）的领导下模拟这种力量时，他们发现，自然而然地创造出了一种看上去就像正在生长的肢体的东西。当一只被刺激的肉芽出现在胚胎表面时，间质细胞集中在一个单个的圆盘状组织中。随着外胚层腺附近细胞不断增加，这个圆盘慢慢伸长，变成一个圆柱体，这个圆柱体以后就会变成上肱骨。但是奥斯特的模型还显示，细胞的牵引力使整个肢体变成了扁平形，进而又使间质细胞聚集的圆柱体变成了扁平形。随着这些组织变成扁平形，间质细胞之间的牵引力使圆柱体一分为二，就像汽车引擎盖上的水滴因为表面张力的作用一分为二。它们变成了两个较小的圆柱体，形状和尺骨与桡骨相似。随着这两个圆柱体的生长，它们也变成了扁平状。在一个至关重要的开端之后，这两个圆柱体又分裂成更小的圆柱体，隐约显出腕骨和手指的样子。