手是怎么形成的（四）：决定肢体进化的基因

手是怎么形成的（四）：决定肢体进化的基因

文/卡尔·齐默 译/靳 萌 编辑/吴冠宇

同源异型基因是整个动物王国进化遗产的一部分，它们能告诉我们生物进化是如何发生的。

中国演员在普希金莫斯科剧院表演芭蕾舞。舞蹈也是肢体语言的表达方式。 摄影/rna/CFP

一位名叫威廉·贝特森（William Bateson）的英国动物学家于19世纪90年代首先观察到一组尤其引人注目的变异。一只叶蜂的脚长在了触角上，一只螯虾在眼睛部位长出了一根触须，一只飞蛾原先的腿长成了翅膀。

图灵模式决定肢体生长的理论遭到一些人的恶意批评。根据奥斯特建立的模型，在肢芽仍是相互一致的一批细胞时，作用于肢芽的各种力量集中创造了后来成为骨骼的聚合的模式，而不是创造了任何形式的决定将来肢体形状的早期化学信号。1990年，英国的生物学家们设计了一项实验来检验这两种可能性。他们将一只小鸡的翅膀的一半去除掉，将另一只翅膀的一半移植在该部位。因为这项移植实验是在肢芽发育的早期进行的，所以通过显微镜肉眼可以观察到，这只翅膀看上去仍是相互一致的间质细胞群。在奥斯特模型中，这样的肢芽仍能生成正常的臂，因为这时的形态发生场还没有对软骨的形成产生作用。然而在那次实验中，肢芽却形成了两根肱骨。该实验结果使生物学家们得出这样的结论，即在试验移植之前，并早在奥斯特所说的作用于肢芽的力量产生影响之前，肢芽中必定已经存在了一个看不见的标识。

当时科学家们不可能考虑到还有其他的解释，因为那时候的基因学家几乎不明白基因是如何创建胚胎的。几十年来，基因学家们在突变研究领域相互较劲。其中，一位名叫威廉·贝特森(William Bateson)的英国动物学家于19世纪90年代首先观察到一组尤其引人注目的变异。一只叶蜂的脚长在了触角上，一只螯虾在眼睛部位长出了一根触须，一只飞蛾原先的腿长成了翅膀。哺乳动物也有一些尽管更细微但与上述相似的突变，例如颈椎骨中长出了小肋骨。贝特森将它们称为同种突变，因为突变的器官本身形态没有发生改变，只是生长的位置发生了变化。

直到20世纪80年代，基因学家们才在一只发育中的果蝇幼虫中将骨骼的同种随机序列追溯至发生作用的同源异型基因。当他们将所有的基因一一鉴别后，再重新审视这一成果时，才惊讶地发现这个理论是如此的简单。同源异型基因在果蝇的DNA上像一串灯笼顺序串起，序列中的第一个基因开始活动，在幼虫头上的一些细胞里生成蛋白质，其余的基因按顺序进行相同的活动，直至幼虫尾部细胞内的蛋白质生成为止。幼虫由体节构成，每节体节内重叠的同源异型基因组合方式不同，这些基因在细胞内生成蛋白质。在每个细胞内，这些蛋白质游到DNA的其他地方，开启其他基因，而这些基因再生成每节体节所需的骨骼，如1条腿、1只翅膀或1只触角之类。贝特森发现的同种突变是同源异型基因在错误的体节内的活动使该体节有了新的特征。

脊椎动物的发育模式与果蝇的发育模式相差很大，这一点并不难理解，因为脊椎动物与果蝇在10亿年前才有共同的祖先。脊椎动物的胚胎在其背部也有体节，这些体节除生成皮肤、肌肉及神经外，还生成内部骨骼——脊椎及肋骨。然而，20世纪80年代后期，基因学家发现小鸡胚胎及老鼠胚胎中的活动基因与昆虫的同源异型基因几乎相同。人的同源异型基因能够植入果蝇的DNA中并能发挥与果蝇基因相同的作用。脊椎动物的同源异型基因也规定了胚胎从头至尾的枢椎。而且如果基因学家在这些基因中创造突变，他们将得到同种突变。在胸腔后部，颈椎骨有了椎骨的形状。哺乳动物胚胎中第二个鳃状的袋状结构通常生成一种细胞，这种细胞最终将形成镫骨，即中耳内3个小骨中的一块。但是如果同源异型基因不被认真对待，这种袋状物将不会生成镫骨，而是生成砧骨和锤骨——中耳的两块小骨，而这两块小骨通常是由第一个鳃状的袋结构生成的。

几乎完全相同的同源异型基因(用方格表示)既决定了昆虫幼虫体节的未来形态，也决定了四足动物胚胎的未来形态。图中竖条显示的是某种基因在细胞内对蛋白质生成的决定性的大小。

每一次变化都要求有更为复杂的协调发展，一整套复制出的同源基因，它们大量制造出超出身体发展所需的蛋白质，从而为新结构的形成提供条件。

几年内，科学家们在蠕虫、水蛭、海星及许多其他动物中发现了相同的基因。他们惊奇地发现有些动物的同源异型基因不止一组，而是有几组，每组与其他组稍微有所不同。果蝇只有一组同源异型基因，但诸如七鳃鳗之类的无颌脊椎动物有3组，而多数有颌的鱼及四足动物有4组或5组。绝大多数动物体内存在着同源异型基因的事实使同源异型基因在研究果蝇的实验室内发挥的作用不再只是一种工具:同源异型基因是整个动物王国进化遗产的一部分，它们能告诉我们生物进化是如何发生的。所有带有同源异型基因的动物必定是从共同的祖先进化而来的，并运用一组同源异型基因在从头至尾的枢椎上形成体节。这有着10亿年历史的生物繁衍出子孙，进化成昆虫及其他无脊椎动物，它们用遗传密码来控制幼虫的生长。与之不同的是，海星利用同源异型基因来伸展出每只足的枢椎。脊椎动物在进化过程中对其自身的同源异型基因进行多次复制，一次是在第一批脊椎动物出现时，后来一次是在有颌脊椎动物出现时。

对整组基因的一次复制就是一次激进的突变，而在几百万年中，这种突变经常发生。起先，复制出的基因仅仅像原先的基因一样产生蛋白质，因为对复制基因的改变不会影响原基因起的作用。然而持续不断地诱发DNA的突变更容易改变复制基因的作用，多数情况下，这些副本只是让DNA多出一些无用的基因，但有时复制出的基因能突变成一种新的形式，发挥新的作用。

例如，许多动物体内的免疫细胞用一种叫做溶菌酶的蛋白质来抵抗病菌。免疫细胞吞噬下微生物，释放出溶菌酶，溶菌酶附在细菌表面钻孔，让分子出入细菌膜，直至细菌死去。像多数哺乳动物一样，人体内的溶菌酶在血液外惟一能存在的地方就是眼泪，通过眼泪防止眼睛受到感染。但是反刍动物——如牛、山羊及绵羊之类进行反刍的有蹄类哺乳动物在胃中存在着大量的变异溶菌酶。反刍动物的祖先显然是复制了生成溶菌酶的基因，而复制出的那套基因适应了胃中的强酸。反刍动物与存活在它们胃里的细菌有着共生关系，反刍动物会周期性地吞食一些微生物进入胃内，新形式的溶菌酶在胃里能钻开微生物，释放出反刍动物能消化的维生素及营养物。

溶菌酶基因的复制使反刍动物的进化有了巨大的不同，但相较之下同源异型基因的复制——这种复制对建立胚胎的身体发育起着关键性作用——是一个非常重要的宏观进化事件。同源基因(即脊椎动物的同源异型基因)的复制似乎与头——环绕内有两个光敏感器官的神经细胞丛的骨质外壳——的出现，是在相同时间里发生的。第二次基因的复制发生于脊椎动物从鳃弓进化成颌的时期，这个时候脊椎动物从鲦鱼大小的以垃圾为食的动物转化成海洋食肉动物，并进而在一亿年内转化成能凿穿一条船的巨大猎食动物。每一次变化都要求有更为复杂的协调发展，一整套复制出的同源基因，它们大量制造出超出身体发展所需的蛋白质，从而为新结构的形成提供条件。

黑腹果蝇的八个同源异型基因，第一个基因影响嘴巴，第二个基因影响面部，第三个基因影响头顶，如此类推，第八个基因影响下腹。基因与果蝇身体的颜色，表示基因所影响的身体部位。

基因的相互作用促使肢体的形成。本图仅显示了这些基因中的一部分。偏振行为区中的特殊的蛋白质促进顶外胚层脊产生生长因子，生长因子再刺激间质细胞进行复制。复制促使肢芽生长，间质细胞与肢芽又共同规定了同源基因在生长区的图案。同源基因对决定肢体结构起着主要作用。

这些瑞士科学家们发现一些与形成人类胳膊的主要基因相同的基因，它们形成斑马鱼的前鳍，并且其生成模式在开始时也是完全相同的。

1989年，当生物学家们在绘制发育中的肢芽所生成蛋白质的相互作用图时，他们开始意识到同源基因也在起作用。为了能理解这种相互之间的作用，你得先理解臂膀开始形成时的情况，即拇指指向头而小指向下指向脚。小指侧一带的肢芽区叫做偏振行为区，这个区域分泌一种特殊的蛋白质。这种蛋白质从该区域分游至肢芽的脊部，在那儿它们使脊部细胞分泌出一种刺激生长的蛋白质，而这种蛋白质又游离至相邻的间质细胞中使间质细胞急剧分裂。与此同时，刺激生长的蛋白质促进生成更多的这种特殊的蛋白质，这种蛋白质再游离回至肢芽的脊部。这样急剧的分裂繁殖不断地进行着，同时这两种蛋白质也大量充溢在间质细胞间，并作为向同源基因传递信号的载体。

当科学家们第一次发现同源基因在肢体中发生作用时，他们推测同源基因在肢体内起的作用和它们在脊椎中的作用一样:肢体将像一条切片面包般被分割成片，每片中的同源基因组合方式各异，将骨骼塑造成适当的形状。按他们的设想，贯穿头尾的枢椎变为贯穿肩膀与手。科学家们改变了老鼠及小鸡体内的同源代码，看这种变异能否证实他们的设想。早期的实验似乎验证了这种设想。例如，当基因学家们破坏一组同源基因中的最后一个基因后，新出生的小老鼠的尾巴缩短了，趾尖也萎缩了。

但更多的实验显示实际情况比设想更复杂:另一组同源基因仅沿着肢芽的小指侧接通，然后突然转向，越过指尖边缘。困惑消失了。那些对肢体中同源基因迷惑不解的基因学家们对棘鱼石螈一无所知，而科茨知道。他总是密切关注着能够帮助他理解脊椎动物肢体进化的新科学发现，以及新发表的关于同源基因的论文。当他看到同源基因的巨大转变时，他意识到之前已经看过这个模式:这个模式就是舒宾发现的指弓的曲线。“我看着它，”科茨说道，“并且想，这简直太好了。”

不同区域的同源异型基因表现变化，会导致不同区域发展出不同的构造，如蝴蝶的前后翅膀。

孩子们与蝴蝶亲密接触。同源异型基因变化在蝴蝶前后翅膀上的体现。 摄影/Tolga Akmen/东方IC

科茨将这一意外发现展现给科学界，告诉他们化石、细胞及基因如何暗示着对这一宏观进化的相同解释。没有人对肢体的了解能够透彻到对同源基因在舒宾所说的“指弓中的作用”进行解释，但无论这之中存在什么样的机制，这种一致性都是如此清晰，不容忽略。受科茨的启示，瑞士生物学家们在1995年论证了同源基因也会生成鱼鳍。他们用来做实验的是斑马鱼，这是一种能够像老鼠一样适应实验室生存条件的长有鳍刺的小鱼。斑马鱼的繁殖周期极快，能够很快地生成鱼苗，最为重要的是，在它生命的早期身体是透明的，这使得人们能够很容易地看到它们体内对蛋白质敏感的染剂。这些瑞士科学家们发现一些与形成人类胳膊的主要基因相同的基因，它们形成斑马鱼的前鳍，并且其生成模式在开始时也是完全相同的。一簇间质细胞在斑马鱼的腹侧凸起，然后脊在其外侧隆起。在靠近鱼尾部位的偏振行为区开始孕育特殊的蛋白质，脊与偏振行为区开始相互作用，结果，—组同源基因开始在尾部边缘生成其蛋白质。然后，间质细胞开始聚集成簇。

如果斑马鱼是四足动物，那么离鳍较远一侧周围的细胞将开始生成同源蛋白质，形成四足动物的弓形器官。但在斑马鱼体内，同源基因这时停止活动。间质细胞沿由同源基因标识的直直的枢椎进行聚合，然后分裂形成骨骼，这些骨骼都直接依附于肩部。但是，尽管同源基因停止活动，鱼鳍却继续生长。在四足动物体内，一旦肢芽促使间质细胞进行增殖，肢芽的脊就开始消失;但在斑马鱼体内，这个脊自身也开始生长，伸展至一个扁平的大空间内，鳍刺在这里开始形成。

在斑马鱼体内，同源基因活动的那段鳍就是一根直枢椎，以后骨骼会沿着这根枢椎生成。在四足动物体内，相同的基因在肢芽的末端弯曲。在这个新的区域，基因图案进行翻转。这种基因图案与之后的枢椎发展保持了一致。拇指侧进行分叉，直至分叉延伸至腕处，在那里枢椎弯曲，分支绕到另一侧，形成手指。

这些实验结果与古生物学家的推想惊人地一致。辐鳍鱼与肉鳍鱼的共同祖先可能长有一个不大不小的鳍。它的同源基因形成供骨骼生长的枢椎，这条枢椎分叉成一些小的分支，脊在这些分支上形成一个小鳍。它的后代们形成两大分支，沿着这两个分支的发育时快时慢，在辐鳍鱼这一分支内，例如斑马鱼，同源基因停止活动的时间较早，但脊内基因活动的时间也较早，从而形成较大的鳍刺。相反，肉鳍鱼的同源基因起作用的时间较长，生成的枢椎相应长些，骨骼也相应大些。同时，同源基因延缓了鳍刺的生长，以致鳍刺成为环绕在内部骨骼周围的一道须边。而且肉鳍鱼向四足动物的转变发生的时间也要更早些:肢芽的脊很早就停止生长，所以不会长出任何鳍，但枢椎向肢芽的另一侧弯曲，从而导致了手指的生长。

龙鳍鱼显然能用结实的胸肌与鳍处类似三头肌的肌肉来支撑身体的前部。它有着与我们人类的肱骨、桡骨与尺骨相对应的巨大骨骼，除了这些，它还至少有8节类似我们手骨但更细长一些的骨骼。

1996年，一队美国基因学家以一份对发育中四足动物肢体的详细描述回应瑞士科学家们的发现。在对23个同源基因进行23天跟踪研究之后，科学家们发现他们的研究成果与舒宾和阿尔伯齐所说的弓形器官有着难以置信的吻合。在肢芽生长的早期，同源基因所活动的区域产生条纹，形成小趾的边缘。在肢芽发育得更大一些的时候，这些条纹绕过趾形成部位的另一侧——但是这时条纹颠倒了次序，当舒宾及阿尔伯齐在将肉鳍转变成四足动物的肢体时——那时还没有人知道同源基因与四足动物肢体有着一定的关系——他们已经意识到了这种翻转颠倒。在真掌鳍鱼这种动物的体内，所有的骨骼分支都是从枢椎分叉出来向大趾方向延伸。当四足动物进化钩状器官时，这些分支转向枢椎的另一边，并在此处由枢椎生成趾。现在看来，如若要分支翻转，在动物的进化中必须使同源基因翻转。

舒宾花了几年的时间来思考并认识到他在弯曲的枢椎上所做的研究在他毕生事业中是微不足道的，但现在基因学家们却都要拉着他合写关于肢体发育的论文，因为他们能够辨识基因序列和染色体细胞，而他能够译注化石的密码，这种密码信息是任何当今动物都不能够提供的。例如，近来，他和特德·戴施勒(Ted Daeschler)一直在研究一块戴施勒于1996年发现的可能是长有趾的鳍的化石。这块化石是泥盆纪一种叫做龙鳍鱼(Sauripterus)的肉鳍鱼的化石。它是在卡茨基尔地层发现的第一块肉鳍化石，但是在戴施勒勘探之前，那里最好的化石已经被严重损坏。据古生物学家所知，龙鳍鱼属于一种已经灭绝的肉鳍鱼，这种肉鳍鱼与真掌鳍鱼及四足动物的关系比其与肺鱼的关系更紧密，但绝不是它们导致了陆地生物的出现。

戴施勒发现的化石保留了从肩至鳍刺尖端的鳍。你能摸到肌肉与骨骼相连的光滑凹处，你能看到能够弯曲的圆形关节。龙鳍鱼显然能用结实的胸肌与鳍处类似三头肌的肌肉来支撑身体的前部。它有着与我们人类的肱骨、桡骨与尺骨相对应的巨大骨骼，除了这些，它还至少有8节类似我们手骨但更细长一些的骨骼。尽管这些手指状的骨骼仍长在鳍内，龙鳍鱼能弯曲鳍上相当于腕部的位置，也能弯曲鳍上相当于指关节的位置。

现在，科学家们在观察这样的化石后能够识别其中起作用的已消失的基因。与舒宾合作的哈佛大学医学院的同源基因学家克里佛德·泰宾(Clifford Tabin)就已经指出，像真掌鳍鱼及其他肉鳍鱼一样，龙鳍鱼在靠近肩的部位，骨骼从枢椎分叉出来，并向鳍上长有大趾的方向扩展。但在鳍的末端，即趾状骨骼形成的部位，一些分支转变方向，不再向大趾方向扩展，而是向小趾侧延伸。这绝不是四足动物的肢体——龙鳍鱼肢体的枢椎内绝不会有钩状器官。然而，这块化石却显示这种肉鳍尝试着与我们人类祖先相同的基因处方。四足动物在大规模的手状结构进化实验中只是一部分，但它们碰巧是泥盆纪后惟一的幸存者。