4 形成身體計(jì)劃

生命里最重要的時(shí)刻，不是出生、結(jié)婚或死亡，而是原腸胚的形成。

——路易斯·沃爾伯特（Lewis Wolpert）

長大成熟的人回望自己的生命歷程時(shí)，會(huì)意識(shí)到自己平淡的生命常常被短暫、突然的變化打斷。雖然可能已經(jīng)為了這些變化進(jìn)行了數(shù)月甚至數(shù)年的漫長準(zhǔn)備，但這些準(zhǔn)備常常很難被我們感知。嬰兒的咿咿呀呀是一點(diǎn)點(diǎn)變得越來越復(fù)雜的，然而這個(gè)過程十分緩慢，父母幾乎毫無察覺，但他們永遠(yuǎn)都不會(huì)忘記自己的孩子第一次說出完整的詞的時(shí)刻。配偶間的持久關(guān)系也有個(gè)隱秘的形成過程，慢慢積累信任，一起分享對(duì)未來的期待。然而，多數(shù)人回想往事時(shí)，只能想起自己意識(shí)到對(duì)方對(duì)自己有重要意義的那個(gè)瞬間。我們一步步地積累專業(yè)技能，但遠(yuǎn)不如換新工作或者升職加薪帶來的變化引人注目。沒那么讓人開心的細(xì)胞損傷也幾乎不會(huì)引起我們的注意，直到超越某個(gè)臨界點(diǎn)才變成明確的、能被診斷的疾病，而攜帶這些細(xì)胞的主體則會(huì)跨越健康人和病人之間那條微妙的界限。

這種在表面上的持久穩(wěn)定和突然爆發(fā)的改變之間的交替轉(zhuǎn)換，不僅發(fā)生在成年人身上，也發(fā)生在胚胎中。如前兩章提到的，在胚胎發(fā)育早期，一開始只有簡單的細(xì)胞分裂，沒有發(fā)生其他事，之后突然發(fā)生的轉(zhuǎn)變讓每層細(xì)胞都變得各不相同，這也就促生了橫跨在滿是液體的空間中的雙層胚盤（圖9）。這樣的結(jié)構(gòu)與能夠被我們辨識(shí)為人的形態(tài)還相距甚遠(yuǎn)。如果一個(gè)理智的人被告知：這對(duì)胚盤將變成動(dòng)物，他很可能會(huì)想到水母之類的物種，因?yàn)橹辽偎傅膫銧铙w和胚盤具有類似的輻射對(duì)稱結(jié)構(gòu)：頂端和底部有差異，但是在垂直方向上可以找出無數(shù)條對(duì)稱軸線（圖9）。然而，胚胎此刻已經(jīng)為迅疾變化做好了準(zhǔn)備，兩天內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模重組。到時(shí)候，幾乎每個(gè)人都會(huì)承認(rèn)它基本是個(gè)嬰兒了。以上就是原腸胚的形成過程。

理解原腸胚形成的方法之一，是首先細(xì)致地了解身體通過這個(gè)過程會(huì)形成的雛形結(jié)構(gòu)，然后再去詳細(xì)了解原腸胚轉(zhuǎn)化成身體中的各個(gè)事件。這種思路或許是最容易理解的，但是可能會(huì)傳達(dá)出一個(gè)錯(cuò)誤的信息，導(dǎo)致人們認(rèn)為這些細(xì)胞之前就在某種程度上已經(jīng)知曉了自己將要形成的身體結(jié)構(gòu)，它們之后便向著這個(gè)方向努力。事實(shí)上，發(fā)育并不依賴細(xì)胞是否掌握了相關(guān)的復(fù)雜信息，因?yàn)榧词箤?duì)我們擁有億萬個(gè)細(xì)胞的大腦而言，這些信息仍然復(fù)雜到無法輕易掌握。發(fā)育靠的是每個(gè)細(xì)胞對(duì)自身周圍環(huán)境簡單、自主的反應(yīng)。因此，本章會(huì)遵循發(fā)育的進(jìn)程，身體隨著細(xì)胞的行為漸漸浮現(xiàn)，直到最后，我們才會(huì)細(xì)數(shù)最終得到的結(jié)構(gòu)。

故事開始前，我們需要一個(gè)聲明：因?yàn)樵谌梭w內(nèi)研究原腸胚的形成極其困難，本章幾乎所有的研究都是引用在動(dòng)物身上開展的相關(guān)研究。關(guān)于人類胚胎在體外可以培養(yǎng)到什么階段，法律上有明確嚴(yán)格的規(guī)定。科學(xué)家不被允許在體外培養(yǎng)原腸胚，原因我們將在本章的后面部分陳述。這一時(shí)期，人類胚胎在解剖結(jié)構(gòu)上的一系列基本變化已經(jīng)為人們所知，因?yàn)榇饲叭藗冄芯窟^一些取自懷孕時(shí)死去的孕婦的樣本，還有一些孕婦很可能在沒有意識(shí)到自己懷孕的情況下選擇切除了子宮（胚胎的原腸胚形成發(fā)生在懷孕后的第15天，大概在女性本來預(yù)期月經(jīng)來潮的時(shí)候）。有些樣本已有超過100年的歷史，現(xiàn)在仍被小心翼翼地保存在博物館中，如今很難獲得取代它們的新樣本了。原腸胚的相關(guān)研究主要集中在雞和小鼠身上，但它們的原腸胚和人類的不完全相同。小雞并不在子宮中，而是在雞蛋里生長；小鼠的上胚層和下胚層呈杯狀，而不是盤狀：這些都與人類胚胎不同。因而，若要把在這些實(shí)驗(yàn)動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)的機(jī)制應(yīng)用到人類身上，可能面臨很大的風(fēng)險(xiǎn)，做出太多假設(shè)或是有一些細(xì)節(jié)上的錯(cuò)誤。

原腸胚形成的起點(diǎn)就是我們?cè)诘?章末尾提到的那種胚胎。到了這個(gè)階段，它已經(jīng)有了很多個(gè)支持組織——比如胎盤，還有了兩個(gè)充滿液體的腔體——羊膜腔和卵黃囊。在這兩個(gè)空腔中間的是上下兩層的胚盤：下胚層會(huì)形成更多的支持組織，上胚層會(huì)發(fā)育成嬰兒。這個(gè)胚盤的邊緣各部分還沒有明顯區(qū)別（圖9）。

第一個(gè)能（在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中）檢測(cè)到的變化發(fā)生在下胚層。胚盤中部①的細(xì)胞開始啟動(dòng)新的基因，包括一種合成DNA結(jié)合蛋白的特定基因：Hex。1參與觸發(fā)這些變化的物質(zhì)和具體的位點(diǎn)尚不為人所知：一種可能是，下胚層所有的細(xì)胞都為出現(xiàn)這種變化做好了準(zhǔn)備，而大多數(shù)細(xì)胞都被一種信號(hào)蛋白抑制了，這種蛋白質(zhì)在包圍下胚層邊緣的支持組織中生成。2而位于胚盤中心的細(xì)胞因?yàn)檫h(yuǎn)離產(chǎn)生抑制蛋白的地方，所以能不受影響，從而可以啟動(dòng)Hex基因。這個(gè)抑制機(jī)制的運(yùn)作是科研人員的猜想，然而確實(shí)有明確證據(jù)顯示Hex基因啟動(dòng)了表達(dá)。這些產(chǎn)生Hex蛋白的細(xì)胞會(huì)從它們周圍的細(xì)胞中擠出一條路，聚集到下胚層外緣的一個(gè)點(diǎn)上3，4，5（圖10）。它們選擇聚集的位置有什么特殊之處呢？即使在小鼠的相關(guān)研究中，這個(gè)問題仍然不甚明了。在“低等”動(dòng)物中，胚胎會(huì)根據(jù)此前的行為找出對(duì)應(yīng)的位置。在一些物種中，母親會(huì)在卵中留下非對(duì)稱的位置信息信號(hào)，這種非對(duì)稱性會(huì)一直保持到胚胎中。還有些物種會(huì)依據(jù)極體來留下位置信息，極體是細(xì)胞分裂形成卵細(xì)胞時(shí)遺留下的產(chǎn)物。在另一些物種中，這個(gè)聚集的位置好像是由精子進(jìn)入的位置決定。哺乳動(dòng)物中可能也有類似的系統(tǒng)在發(fā)揮作用，研究人員在小鼠中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞致密化時(shí)期，胚胎已經(jīng)表現(xiàn)出了不對(duì)稱性。6但研究人員在人類胚胎上還沒有得出明確結(jié)論，這也算意料之中。但缺乏這方面的知識(shí)終究讓科學(xué)家十分沮喪，因?yàn)楸磉_(dá)Hex細(xì)胞的積累會(huì)造成極其重要的影響。它使得胚盤邊緣的一處變得與眾不同：這是胚胎第一次打破輻射對(duì)稱，發(fā)育出了可見的差異（圖10）。

這些細(xì)胞只要來到下胚層邊緣，就變成了所謂的AVE②。AVE細(xì)胞會(huì)開始分泌自己的信號(hào)蛋白。這些信號(hào)蛋白會(huì)短距離擴(kuò)散。那些位于AVE上方的上胚層細(xì)胞處在能夠受到影響的距離范圍之內(nèi)。7這個(gè)階段的上胚層已經(jīng)做好準(zhǔn)備，可以對(duì)來自支持結(jié)構(gòu)的信號(hào)做出響應(yīng)，正是這些信號(hào)讓它們準(zhǔn)備好發(fā)展出身體后部的結(jié)構(gòu)。如果上胚層細(xì)胞在此之后都沒有受到什么阻礙，它們就會(huì)全部向著這個(gè)方向發(fā)育，胚胎便會(huì)呈現(xiàn)出病態(tài)。AVE發(fā)出的信號(hào)正好會(huì)發(fā)揮相反的作用，這些信號(hào)會(huì)抑制這個(gè)進(jìn)程，誘導(dǎo)那些產(chǎn)生頭部結(jié)構(gòu)的基因開始表達(dá)。8如果AVE的信號(hào)蛋白沒有成功產(chǎn)生，胚胎就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)育出正常的頭部（圖10）。AVE的位置成了胚盤圓周上獨(dú)特的一點(diǎn)，為位于上層的上胚層賦予了極性，離它最近的點(diǎn)發(fā)育成了最像頭的結(jié)構(gòu)，最遠(yuǎn)的位置就變成了身體的后端。只有在距離AVE最遠(yuǎn)的地方，細(xì)胞才不會(huì)受到AVE信號(hào)的影響。這似乎對(duì)上胚層完成第一個(gè)直接可見的變化有著極為重要的影響。這個(gè)地方的上胚層細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種信號(hào)蛋白，吸引周圍的細(xì)胞向著它移動(dòng)。9這種吸引力和細(xì)胞移動(dòng)標(biāo)志著另一種極為重要的結(jié)構(gòu)開始生成。這個(gè)結(jié)構(gòu)有一個(gè)毫不起眼的名字：原條（圖10）。

研究人員通過在雞胚胎中開展的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了下胚層邊緣的AVE細(xì)胞在決定原條產(chǎn)生位置時(shí)所發(fā)揮的初始作用非常重要。他們采用的研究方法是在胚胎正在打破輻射對(duì)稱時(shí)，把下胚層旋轉(zhuǎn)到另一位置上。10結(jié)果表明，上胚層會(huì)依據(jù)新的位置信息安排原條的形成，從而證實(shí)了下胚層能夠有效地控制方向。

當(dāng)更多的上胚層細(xì)胞聚集在一起，它們堆積推擠，會(huì)使原條沿著上胚層的半徑方向逐漸向內(nèi)部拉長（圖11）。隨著越來越多的細(xì)胞加入原條，留在圓形邊緣的細(xì)胞數(shù)量就越來越少，因此條形越來越長，胚盤的整體形狀變得越來越窄。原本正圓形的胚盤變成了橢圓形，簡單的輻射對(duì)稱不復(fù)存在（圖11）。橢圓的長軸是身體長軸形成的第一個(gè)標(biāo)志，這條軸線從身體的頭部頂端一直延伸到脊椎的最遠(yuǎn)端（描述大多數(shù)動(dòng)物時(shí)，用“一直延伸到尾巴尖兒”的說法很自然，但用在人類身上會(huì)讓人覺得哪里不對(duì)勁）。原條最開始形成的部分靠近圓的外緣，這里將是臀部的位置。最后形成的部分接近現(xiàn)在橢圓的中心，這個(gè)地方距離形成頭部的位置不遠(yuǎn)。在人類成形的過程中，第一個(gè)可見的、標(biāo)志著人類身體形成的，就是臀部的形成，頭部的形成是后來的事了。這也是胚胎學(xué)在提醒我們：別把人類想得太高貴。

AVE會(huì)指定原條在上胚層的哪個(gè)部位形成。AVE在這個(gè)過程中扮演的角色會(huì)導(dǎo)出一個(gè)有意思的結(jié)果。如果表達(dá)Hex基因的細(xì)胞沒有成功地聚集在一起，而是形成了兩個(gè)分離的小AVE，那就會(huì)形成兩個(gè)信號(hào)中心。在這種情況下，上胚層上可能會(huì)形成兩個(gè)原條。這是形成同卵雙胞胎的第三種方式，也是最罕見的一種，在所有同卵雙胞胎的妊娠中出現(xiàn)概率小于1%。

如果有兩個(gè)完整且互相獨(dú)立的原條形成，它們就會(huì)各自發(fā)育頭—尾軸，成為兩個(gè)身體。這些雙胞胎在同一個(gè)上胚層形成的時(shí)期遠(yuǎn)晚于羊膜腔的形成，因而這種雙胞胎將共用一個(gè)羊膜腔和同一個(gè)絨毛膜腔。這和第2章中提到的分別具有羊膜腔和絨毛膜腔的雙胞胎不同，和第3章中提到的只共享絨毛膜腔的雙胞胎也不一樣（只要看一下雙胞胎共用幾個(gè)腔體，就可以知道他們的類型）。在同一個(gè)上胚層上發(fā)育出兩個(gè)原條是一個(gè)危險(xiǎn)的過程，因?yàn)閮蓚€(gè)身體之間沒有明確的界限，而且總有不能完全分離的風(fēng)險(xiǎn)。如果分離失敗，這些雙胞胎出生時(shí)依然會(huì)連接在一起，共享身體的一部分。而他們共享的身體部分通常都十分關(guān)鍵，比如共享重要的內(nèi)臟器官。根據(jù)共享結(jié)構(gòu)的不同，有些連體人還是可以健康地生活下去，雖然可能會(huì)遇到不少困難。昌·邦克（Chang Bunker）和恩·邦克（Eng Bunker，1811—1874）可能是歷史上最有名的連體人了。11，1219世紀(jì)，他們跟隨巴納姆（P. T. Barnum）的馬戲團(tuán)巡演多年。那時(shí)畸形秀還沒過時(shí)，許多馬戲團(tuán)的標(biāo)志性節(jié)目是展示長胡子的女人、侏儒、巨人和肥胖病人，他們要承受人們好奇但又毫不同情的目光。邦克兄弟這對(duì)聞名世界的雙胞胎，以他們出生的國家給自己起了藝名：“暹羅（即泰國）雙胞胎。”如果他們出生在現(xiàn)代，很可能一出生就通過手術(shù)分離了。但也有些連體人的情況更復(fù)雜，根本不可能進(jìn)行分離手術(shù)，或者要以放棄其中一個(gè)生命為分離的代價(jià)。這種情況給人類倫理和外科醫(yī)生都帶來了挑戰(zhàn)。

實(shí)際上還有更復(fù)雜的情況。如果上胚層沒有形成兩個(gè)分離的原條，而是即使在連體已經(jīng)發(fā)生之后依舊產(chǎn)生了兩個(gè)不同的體軸，形成了類似“Y”形的、不完全復(fù)制的兩個(gè)原條，就會(huì)導(dǎo)致初生嬰兒有兩個(gè)頭，也許還有兩個(gè)脖子，共用同一個(gè)軀干。令人困惑的是，這種情況常被命名為雙倍軸（axis duplication，這個(gè)名詞令人困惑的原因在于，如果他們真的具有完整的兩個(gè)軸，那就會(huì)發(fā)育成正常的雙胞胎，而形成這種“Y”形軸線恰恰是因?yàn)樗鼈儾⒉皇峭耆亩遁S）。這種類型的雙胞胎在人類中極為罕見，通常會(huì)導(dǎo)致流產(chǎn)、死產(chǎn)，即使嬰兒最終出生，也活不了太長時(shí)間，很多嬰兒都變成了解剖或外科博物館中的標(biāo)本，常年漂浮在密封罐里。也有一些罕見的幸存者，最受關(guān)注的是阿比蓋爾·亨塞爾（Abigail Hensel）和布列塔妮·亨塞爾(Brittany Hensel)姐妹，她們出生于1990年，現(xiàn)年30多歲，她們有各自的脖子和頭部，同時(shí)共用一個(gè)身體。她們的頭部能完全獨(dú)立地活動(dòng)，比如閱讀；她們需要互相配合才能完成另一些活動(dòng)，比如走路、彈鋼琴和駕駛（對(duì)加州政府來說，發(fā)明一種適用于這種情況的個(gè)性化駕駛考試也是一個(gè)挑戰(zhàn)）。雙倍軸在爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物中更常見，存活概率也相對(duì)更高。有一條名為“我們”（We）的雙頭錦蛇在圣路易斯城市博物館生活了8年，21世紀(jì)初成了那里最有魅力的明星：不僅因?yàn)樗鼈兲厥獾纳眢w結(jié)構(gòu)，還因?yàn)樗拿總€(gè)頭都有獨(dú)立的意圖，會(huì)不時(shí)地陷入爭(zhēng)吵。人們甚至還發(fā)現(xiàn)了一只成年雙頭蜥蜴的化石。13人們可以通過干擾信號(hào)機(jī)制人工誘導(dǎo)形成二倍軸的青蛙，干擾的部位相當(dāng)于哺乳動(dòng)物中上胚層—下胚層之間的信號(hào)系統(tǒng)。事實(shí)上，這就是人們一開始識(shí)別信號(hào)機(jī)制的方法。把哺乳動(dòng)物AVE產(chǎn)生的頭部形成所必需的一種蛋白質(zhì)注入青蛙胚胎，可以誘導(dǎo)青蛙額外長出一個(gè)頭。科學(xué)家因而以刻耳柏洛斯（Cerberus）命名這種蛋白質(zhì)。這個(gè)名字來源于希臘神話中地獄之門的看門惡犬，傳說它有多個(gè)腦袋。

有些生物倫理學(xué)者依據(jù)這種一個(gè)原條對(duì)應(yīng)一個(gè)人的關(guān)系，認(rèn)為原條的形成是人類發(fā)育過程中一道關(guān)鍵的倫理界限。這種觀點(diǎn)主張：在原條形成之前，胚胎還不確定會(huì)形成幾個(gè)個(gè)體，因此不能把此前的胚胎等同于人類。如果把這種主張引申開去，那么也就是說，這些不能等同于一個(gè)人類個(gè)體的實(shí)體，就不能享受作為人類的權(quán)利；再進(jìn)一步說就是，在這道界限之前對(duì)胚胎進(jìn)行操作是可以接受的，但在此之后就不行。與之相反，一旦一個(gè)或一個(gè)以上的原條成形，“人”的數(shù)目就確定了，就不能再進(jìn)行試驗(yàn)。像這樣的推理思路，以及其他類似的嘗試在胚胎的某個(gè)階段劃定倫理邊界的做法，包括對(duì)這個(gè)邊界下定義，都受到一個(gè)根本問題的制約：制定法律的人希望能在“還不算是人”和“現(xiàn)在是人了”之間找到明確的界限。如本章開頭所述，發(fā)育的某些方面的確存在階段性的變化，但其他一些方面（比如大小）只會(huì)逐漸變化。人格的出現(xiàn)很可能也不是一步到位的，而是經(jīng)過了一系列步驟才從僅僅具有發(fā)展出人性的潛力到變成一個(gè)真正的人，這個(gè)過程可能持續(xù)數(shù)月，甚至可能數(shù)以年計(jì)（大腦中神經(jīng)元的連接也會(huì)在出生后持續(xù)變化）。事實(shí)上，我們對(duì)人性、對(duì)自身人格的生物學(xué)基礎(chǔ)還認(rèn)識(shí)得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以就連諸如“我們的人格是突然從無到有，還是逐漸成長”之類的問題都還不能回答。這也是為什么當(dāng)下的倫理爭(zhēng)論要依靠詭辯術(shù)，嘗試在發(fā)育的時(shí)光沙漏中劃出一條明確的界限。

在原條形成的過程中，依然有細(xì)胞不斷地聚集到這里。隨著越來越多細(xì)胞的到來，原條的中部塌陷，形成一道狹長的下陷，接近胚盤中央的一頭形成一塊大而平的凹陷，名為原結(jié)（或原坑，node）。原結(jié)的細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的信號(hào)蛋白，這些蛋白不僅可以吸引更多的細(xì)胞，還會(huì)讓這些細(xì)胞之間的連接減弱，啟動(dòng)這些細(xì)胞內(nèi)把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋图?xì)胞的基因。那些距離原結(jié)最近的細(xì)胞接收到的信號(hào)最多，因而應(yīng)答得最強(qiáng)烈。那些細(xì)胞之間的連接變得松散，加上有了更強(qiáng)的遷移能力，它們開始脫離圍繞在周圍的層狀胚盤。14，15，16它們的脫離過程從上胚盤的底部掉落開始，從原結(jié)處沿著原條向尾部擴(kuò)展。因此，與上肢相比，身體的后部細(xì)胞脫落得晚得多；而當(dāng)細(xì)胞掉落后，原來位于它們旁邊的細(xì)胞就會(huì)填補(bǔ)剩下的空間，它們也會(huì)走上和老鄰居同樣的路。

位于頭—尾軸特定位置的、沿原條脫落的第一批細(xì)胞會(huì)加入下胚層，它們會(huì)推開之前這里已有的下胚層細(xì)胞，如此一來，下胚層的中軸就被新的細(xì)胞占據(jù)（圖12）。這層細(xì)胞一旦就位，就有了新的名字：內(nèi)胚層（意思是“內(nèi)部的皮膚”，因?yàn)樗鼈儗頃?huì)形成腸道以及與之相關(guān)的其他器官的管道，如肝管和胰管等）。后期脫落的那些細(xì)胞只是松散地聯(lián)系在一起，而不會(huì)形成細(xì)胞層。它們會(huì)形成疏松的填充材料：中胚層（mesoderm，meso意為“中間”，因?yàn)樗挥趦?nèi)胚層和最后一層之間）。那些最終也沒有脫落而始終留在原結(jié)后面最上層的細(xì)胞變成了外胚層（ectoderm =“外部的皮膚”）17。因此，原條和原結(jié)不僅定位了胚胎的頭—尾軸，還把原來僅有一層的上胚層轉(zhuǎn)變成了三個(gè)完全不同的胚層：內(nèi)胚層、中胚層和外胚層。這個(gè)階段的胚胎也稱為原腸胚（圖12）。幾乎所有的動(dòng)物都有這三個(gè)基本的胚層。③

由于細(xì)胞不得不移動(dòng)到原條處才能通過原條向下遷移，它們下潛的時(shí)間就與之前所在的位置和原條之間的初始距離密切相關(guān)。靠近中線的細(xì)胞只需移動(dòng)很短的距離，而且下潛得較早；而那些距離較遠(yuǎn)的細(xì)胞只有在前一批細(xì)胞之后才能行動(dòng)，而當(dāng)它們開始下潛時(shí)，之前的細(xì)胞早就不在此處了。原腸胚形成過程中，時(shí)間與空間聯(lián)系得如此緊密，讓人們難以分辨實(shí)際上到底是哪一個(gè)因素決定了細(xì)胞分化成哪種細(xì)胞。細(xì)胞的命運(yùn)是在剛剛準(zhǔn)備移動(dòng)、收到AVE的第一個(gè)信號(hào)時(shí)就早已決定好的，還是直到它們從原條中心下潛，真正成為身體的一部分時(shí)才塵埃落定？人們已經(jīng)在一些例子中證明，在細(xì)胞移動(dòng)前，與它們分化相關(guān)的程序已經(jīng)預(yù)先啟動(dòng)。18，19，20，21，22如前文提到的那個(gè)例子，頭部的命運(yùn)就由AVE的信號(hào)決定。而那些距離AVE很遠(yuǎn)，但“預(yù)編程”好成為原條的細(xì)胞也是如此。這還是非常早期的階段，所以對(duì)其他細(xì)胞將來的角色已經(jīng)定位到什么程度尚不明了。但某些“預(yù)編程”實(shí)際上只定向了細(xì)胞未來的偏好，這讓研究人員對(duì)這一環(huán)節(jié)的分析變得更加困難。如果它們被故意置于一個(gè)不同的環(huán)境，模擬出這些細(xì)胞“誤入歧途”后可能發(fā)生的事情，它們就會(huì)“改變主意”，從而應(yīng)對(duì)新環(huán)境產(chǎn)生的信號(hào)。這一整個(gè)領(lǐng)域都在告訴我們：關(guān)于胚胎，我們還有很多很多東西需要了解。

幾乎在內(nèi)胚層形成的同時(shí)，原條下方中線上的細(xì)胞就把自己從附近的細(xì)胞處移開，然后向上移動(dòng)（圖13）。這些細(xì)胞從原結(jié)的頭部下潛，因而會(huì)接收到濃度最高的由原結(jié)產(chǎn)生的信號(hào)分子。這些信號(hào)分子會(huì)“預(yù)編程”這些細(xì)胞，讓它們?yōu)樵僖淮蚊撾x內(nèi)胚層做好準(zhǔn)備。23，24，25它們一旦脫離內(nèi)胚層，就會(huì)沿著胚胎排成一列，形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的桿狀物，這就是脊索。④脊索是早期胚胎形成時(shí)所具備的最重要的結(jié)構(gòu)之一。你只要理解了動(dòng)物的演化過程，就會(huì)明白它為什么會(huì)如此早地出現(xiàn)在胚胎發(fā)育的初期。事實(shí)上，我們也會(huì)由此理解到底為什么會(huì)形成這個(gè)結(jié)構(gòu)。

動(dòng)物學(xué)家按照層次結(jié)構(gòu)為動(dòng)物界分了類。基本單位是種（如Homo sapiens，智人）；相似的物種被劃分為一個(gè)屬（如Homo，人屬）；相似的屬被歸為一個(gè)科（如Hominidae，人科）；相似的科歸為一個(gè)目（如Primates，靈長目）；相似的目歸為一個(gè)綱（如Mammalia，哺乳動(dòng)物綱）；相似的綱歸為一個(gè)亞門（如Vertebrata，脊椎動(dòng)物亞門）；相似的亞門歸為同一個(gè)門。最初的分類系統(tǒng)完全基于相似性，那時(shí)候人們還沒有共同祖先的概念。但達(dá)爾文和華萊士提出了一個(gè)假說，他們用生物遺傳中的變異和自然選擇來解釋這些生物之間的相似性。自此之后，這些分類階元就開始指示演化關(guān)系了。脊椎動(dòng)物亞門屬于脊索動(dòng)物門（Chordata），本門中的所有動(dòng)物都會(huì)在生命的某個(gè)階段生出脊索。從數(shù)量上看，脊椎動(dòng)物在脊索動(dòng)物中占了大多數(shù)，但是有些無脊椎動(dòng)物生長在寒武紀(jì)早期的直接祖先，其分布范圍在當(dāng)時(shí)可能極為驚人。這其中的大多數(shù)生物都不為人知，但是屬于無脊椎脊索動(dòng)物的文昌魚在亞洲某些地區(qū)十分常見，甚至是那里餐桌上一道日常的菜肴。文昌魚長約6厘米，性狀與魚類似。文昌魚不具骨骼，終身保留脊索；其脊索不僅支持身體，附著其上的肌肉甚至可以跟脊索產(chǎn)生對(duì)抗張力。因而對(duì)文昌魚來說，脊索從它們的幼體到成體都必不可少。而對(duì)其他無脊椎脊索動(dòng)物而言，脊索僅在幼體時(shí)期較為重要。

然而，脊索不止提供支持作用。它由特定類型的細(xì)胞構(gòu)成，能夠分泌特有的蛋白質(zhì)，因而脊索具有成為組織胚胎發(fā)育信號(hào)源的潛力。事實(shí)上，脊索位于胚胎的正中，所以非常適合發(fā)揮這一功能。包括脊椎動(dòng)物在內(nèi)的脊索動(dòng)物，都會(huì)在協(xié)調(diào)內(nèi)部組織時(shí)廣泛地使用這些信號(hào)：決定在脊髓中形成哪些類型的神經(jīng)細(xì)胞，以及在身體兩側(cè)形成哪些類型的結(jié)締組織和肌肉。我們將在本書后續(xù)的第5、第7和第9章中詳述脊索信號(hào)在后續(xù)事件中發(fā)揮的重要作用。隨著脊椎動(dòng)物的演化，原本簡單的脊索變得越來越復(fù)雜，然而，所有這些最終都取決于處于早期階段的細(xì)胞接收以及解讀來自脊索的信號(hào)的能力。因此，我們也一如既往地利用它。現(xiàn)在，它的機(jī)械作用已被復(fù)雜的骨質(zhì)脊柱取代，但是我們?cè)谂咛ピ缙谶€是不得不依賴它的信號(hào)。雖然從機(jī)械作用上看它已經(jīng)是失去了作用的“活化石”，但它仍然是發(fā)育過程中的重要結(jié)構(gòu)，直到履行完組織發(fā)育的傳統(tǒng)職責(zé)才解體。之后，它的殘骸會(huì)成為脊椎間的椎間盤，26可以用來緩沖脊椎間的壓力（椎間盤損傷會(huì)導(dǎo)致“椎間盤突出”，讓人疼痛難忍）。

原條/原結(jié)系統(tǒng)似乎并不滿足于給予身體一條主軸、創(chuàng)造出最初的組織胚層，這個(gè)系統(tǒng)還在行使另一個(gè)重要的功能：打破左右之間的鏡面對(duì)稱關(guān)系。27這是通過讓液體以一種低效但有用的方式流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。許多動(dòng)物細(xì)胞擁有纖小且靈活的剛毛狀突起，這些就是纖毛。纖毛配備了微小的馬達(dá)蛋白，它們能從化學(xué)反應(yīng)中汲取能量，然后把能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械力施加到其他蛋白上，這些蛋白就會(huì)讓纖毛擺動(dòng)。在原始的單細(xì)胞動(dòng)物中，擺動(dòng)纖毛是動(dòng)物在液體中的移動(dòng)機(jī)制。對(duì)人類來說，細(xì)胞自身的位置是固定的，它們使用纖毛的方式與單細(xì)胞動(dòng)物類似，但作用是讓液體流動(dòng)。例如，排列在肺部氣管細(xì)胞上的纖毛就用于清理肺部的黏液。而排列在輸卵管細(xì)胞上的纖毛則會(huì)助力卵細(xì)胞和早期胚胎向子宮內(nèi)下行。原結(jié)上的細(xì)胞也有纖毛，這些纖毛從原結(jié)的下面斜向下探入液體。

原結(jié)產(chǎn)生的纖毛有兩個(gè)很特殊的性質(zhì)。首先，它們?cè)诩?xì)胞上以45度角向下向后伸出，向后部傾斜是由對(duì)整個(gè)胚胎頭—尾極性的敏感細(xì)胞所決定的。28 其次，它不像鞭子那樣擺動(dòng)，而是做圓周運(yùn)動(dòng)——想想那些牛仔在拋出索套前的甩動(dòng)，就不難理解了。纖毛旋轉(zhuǎn)得極快，大約每分鐘轉(zhuǎn)六百轉(zhuǎn)，相當(dāng)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速。如果你從纖毛的一側(cè)看向細(xì)胞，纖毛總是呈順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，這是因?yàn)轳R達(dá)蛋白復(fù)合體是手性的，只能從一側(cè)附著和推動(dòng)纖毛。29在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，纖毛的位置決定了它到達(dá)底部時(shí)總是會(huì)向著胚胎的左側(cè)移動(dòng)，到頂部時(shí)則會(huì)移向胚胎的右側(cè)（圖14）。到現(xiàn)在為止，胚胎還是對(duì)稱的，但纖毛位于頂端向右側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)距離細(xì)胞較近，此時(shí)它推動(dòng)的液體就會(huì)因?yàn)榧?xì)胞表面的黏性阻力而大幅降速。纖毛旋轉(zhuǎn)到細(xì)胞底部時(shí)距離細(xì)胞較遠(yuǎn)，流動(dòng)液體從細(xì)胞的黏性阻力中解脫開來，纖毛的推動(dòng)會(huì)有效地加速液體的流動(dòng)。這樣一來，被推向左側(cè)和右側(cè)的液體就處于一種不均衡的狀態(tài)。這類似于單引擎船上那種常見的螺旋槳：螺旋槳和船體之間有限的空間導(dǎo)致了不對(duì)稱的推力，這就很考驗(yàn)船長們?cè)趽頂D港灣中的駕駛操作（圖14）。

由纖毛帶來的偏向流動(dòng)意味著，原結(jié)的左側(cè)長久地浸在從纖毛下方不斷抽取的新鮮液體中。29細(xì)胞可以從這些液體中獲得鈣離子等很多微小物質(zhì)，而原結(jié)右側(cè)的胚胎只能接觸到?jīng)]剩下多少物質(zhì)的陳舊液體。原結(jié)釋放的蛋白質(zhì)也多流向左側(cè)。

原結(jié)細(xì)胞會(huì)往下部的液體中釋放各種分子。其中就有一種以其來源命名的強(qiáng)力信號(hào)蛋白：Nodal（意為結(jié)）。兩側(cè)的原結(jié)都會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的Nodal，它們一旦釋放到液體中，就會(huì)被掃向左側(cè)。鈣離子能夠提高Nodal的產(chǎn)量，因此，隨著富含鈣離子的新鮮液體涌向左側(cè)，這一側(cè)的原結(jié)就會(huì)產(chǎn)生更多的Nodal。Nodal會(huì)影響其他一系列蛋白質(zhì)的合成量，其中一些還會(huì)影響基因的表達(dá)。這就使得胚胎的左側(cè)和右側(cè)在基因表達(dá)上出現(xiàn)了輕微的差別，胚胎的左—右鏡像對(duì)稱就此打破。

失去完美的左右鏡面對(duì)稱有助于我們身體的構(gòu)建。雖然從外觀上看，我們大多數(shù)的解剖結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)左右鏡面對(duì)稱，然而我們體內(nèi)的很多器官并不對(duì)稱。心臟以及循環(huán)系統(tǒng)是不對(duì)稱的，我們只有一個(gè)脾臟和一個(gè)胰腺，它們的主要部分位于身體的左側(cè)，肝臟和闌尾則位于身體的右側(cè)。我們的大腦中存在大量左右微妙不對(duì)稱的地方。有些不對(duì)稱用肉眼就能看出來。例如，男性的一個(gè)睪丸要比另一個(gè)低一些（男性中大約有2/3的個(gè)體是左側(cè)睪丸的位置較低）。⑤對(duì)高等脊椎動(dòng)物來說，發(fā)育出不對(duì)稱性的能力也許并不是演化過程中所必需的，但我們幾乎可以肯定，這一能力讓演化變得更加容易。另一套替代方案也許是除了腸道、中央神經(jīng)系統(tǒng)、陰莖、陰道和膀胱（這些都是沿著中心線形成的）之外，其他器官每個(gè)個(gè)體都擁有兩套。把這么多器官裝進(jìn)身體有點(diǎn)兒難，人的身體會(huì)變得更細(xì)長，就像一條魚，如此一來，成對(duì)的器官才能一對(duì)對(duì)地往下排。對(duì)需要承載所有重量奔跑或飛行的大型陸地動(dòng)物來說，這種身體結(jié)構(gòu)應(yīng)該不能帶來什么好處。

打破左右鏡面對(duì)稱的驚人之處在于，人類身體尺度上的不對(duì)稱性最終起源于分子尺度上的不對(duì)稱性，是蛋白復(fù)合體推動(dòng)纖毛運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的。這個(gè)為數(shù)不多的例子表明，分子的性質(zhì)可以直接轉(zhuǎn)譯成整個(gè)身體中相對(duì)應(yīng)的性質(zhì)。這一套機(jī)制不同尋常，但已經(jīng)有一系列強(qiáng)大的證據(jù)支持：的確有這么套機(jī)制在運(yùn)作。首先，人們已經(jīng)直接觀察到了纖毛的轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，研究人員已經(jīng)模擬出了纖毛理應(yīng)制造出的流向，這其中一開始依靠的是數(shù)學(xué)模型，后來人們仿制出了類似的人工纖毛。30通過在胚胎和模型中滴入微粒，研究人員直接觀測(cè)到了液體的流動(dòng)，并在接下去的研究中大量測(cè)量了Nodal的合成和積累。還有一個(gè)證據(jù)可以證明關(guān)于這套機(jī)制的設(shè)想，那就是在一些不能產(chǎn)生纖毛或者纖毛不能運(yùn)動(dòng)的突變胚胎中，最終產(chǎn)生的身體具有隨機(jī)的左右方向性。小鼠身上有一種名為inv的突變，它會(huì)使纖毛翻轉(zhuǎn)指向，呈45度角指向頭部。因此，在這種條件下，液體的凈流量向右，根據(jù)理論預(yù)測(cè)，帶有這種突變的動(dòng)物，其身體結(jié)構(gòu)的左右應(yīng)該會(huì)完全翻轉(zhuǎn)。這一結(jié)果的確出現(xiàn)在了這些小鼠身上。有些人一出生就左右逆轉(zhuǎn)，成因可能與此相同。

本章提到的發(fā)育事件都在2～3天內(nèi)（即受孕后的15～17天內(nèi)）發(fā)生，而這就已經(jīng)徹底改變了胚胎的性質(zhì)。在此之前，它們只是毫無特色的簡單圓盤，從形狀上完全看不出與一個(gè)復(fù)雜動(dòng)物的關(guān)系。在這個(gè)階段的末尾，胚胎會(huì)成為一個(gè)頭尾和背腹分明、左右明確區(qū)分的修長身體，有三種完全不同類型的組織按照確定的順序排列，中央脊索貫穿身體。動(dòng)物的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)成形，接下去要開始精巧地修飾內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。

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①這是根據(jù)小鼠胚盤（極端）而對(duì)人類（外胚層中部）胚盤做出的最佳猜測(cè)，也許某一天會(huì)得到更直接的人類數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)有誤。

②本書末尾列出了所有縮寫的完整表達(dá)，但是在AVE這個(gè)縮寫中，“V”和“E”代表的術(shù)語更容易引起誤解，所以本章只使用縮寫。

③水母等較原始的動(dòng)物只有內(nèi)胚層和外胚層。

④在大多數(shù)動(dòng)物中，脊索直接來自中胚層。研究人員在小鼠中（也可以類推到人類）發(fā)現(xiàn)脊索源自中胚層的中間，這是近期非常意外的發(fā)現(xiàn)。

⑤1979年，I. C.麥克馬納斯（I. C. McManus）發(fā)表了一篇關(guān)于希臘雕塑上表現(xiàn)出的陰囊不對(duì)稱性的詳細(xì)研究。2002年，他因?yàn)檫@項(xiàng)研究獲得了《不可能研究年刊》（Annals of improbable Research）雜志頒發(fā)的搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。這本雜志特別關(guān)注那些惹人發(fā)笑和思考的研究。