生命的形状,是如何长成的?

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每个复杂的生命体,最初都始于单独一个细胞。是什么令这个细胞不断分裂之后,成长为形态各异的动植物?图片来源:cell.com

(文/ Roberta Kwok)一切都从一个单独的细胞开始。从树木到水母再到人类,各种令人眼花缭乱的形状和结构,都能从这一个细胞发育出来。我们对这种过程熟视无睹,觉得理所当然,完全没想到这有多么不同寻常。

那么,生物体到底是怎么把外在形态呈现出来的呢?一个答案说,这都记录在DNA里。通过研究一些奇特的变异现象,比如苍蝇在应该长触角的地方长了腿,生物学家已经确定出了发育过程中涉及到的许多基因。

然而实际上,我们像是一群孩子弄到了一艘外星飞船,东按按西摸摸,成功摸索出了各个开关的用途。我们也许能把飞船开起来,对它的原理却一点也不懂。如果飞船坏了,想要修理或是重新建造一艘,我们肯定不会。

同样,虽然对于哪个基因控制生长我们了解得不少,对于这些指令如何通向最后的形态,却知之不多。细胞或是分子到底做了些什么,才让生命体的外形发生了变化?这仍然是个巨大的谜题,也许是生物学中最大的一个。

不过,借助新工具的帮助,我们已经窥到了一点门径。而且这项工作拥有无限的可能性。比如,我们对器官形成过程了解得越深入,对其进行修复或是替换就越容易。最终,我们也许能够创造出一些动物或是植物,具有自然界中不曾发现过的形态。

虽然自古以来,亚里士多德之类的思想家就已经思考过发育之谜,但是,直到上个世纪后半叶,生物学家才开始着手对付这个难题。20世纪60年代,生物学家路易斯·沃伯特(Lewis Wolpert)阐述了一种设想,即复杂的形体规划能够通过胚胎中简单的化学物质浓度梯度而建立。这种化学物质叫做形态发生素。不同的基因在不同的位置激活,依据便是其所处环境中的形态发生素含量。

在接下来的数十年中,编码形态发生素的基因被发现了,沃伯特的想法也在很大程度上得到了证实。通过鼓捣这些控制形体蓝图的基因,生物学家也取得了一些成就——比如,如何把一朵花产生花粉的器官变成花瓣。

但是,那时研究的重点是编制发育过程中涉及的“控制”基因的目录,而不是阐明发育如何一步一步运作。这些控制基因会启动建造某个特定身体部分的程序,但是在大多数情况下,没有人知道启动之后会发生什么。西班牙巴塞罗那基因组调控中心的系统生物学家詹姆斯·夏普(James Sharpe)说:“生物学家被基因迷惑住了,他们基本止步于此,甚至没有留意到这里还有个关于形态的问题。”

以动物的肢体为例。长出肢体,不管是小鸡的翅膀还是鼹鼠的脚掌,第一步都是长出一个一个突出的、伸长的部分。多年以来,生物学家认为这种形状产生的原因很简单,就是肢体顶端的细胞分裂要比底端快,仅此而已。不过,从没有人证明过这一点。

孤悬体外

夏普的团队最近检验了这个设想。他们拍下小鼠肢体生长的3D图像,测量不同位置细胞分裂的速度。把数据输入计算机模型后,他们发现,细胞分裂不同速这个说法,根本解释不了肢体的形状。肢体末端的细胞分裂速度仅仅比靠近身体一侧快一倍。在模型中,这种速度差使虚拟肢体像个气球一样膨胀起来,而不是长成一长条(参见《PLoS生物学》,第8卷,e1000420页)。

夏普认为,在肢体的形成过程中,细胞也许会主动向特定方向移动。细胞运动在动物发育中起着重要作用,这一点早已广为人知。而且,夏普的团队注意到,小鸡肢体的细胞中具有长长的突起,被称为丝状伪足,可以帮助细胞移动。丝状伪足排列的方向,通常与最近的外层组织的方向平行。如此一来,在远离肢体末端的地方,丝状伪足排列的方向就可以几乎垂直于肢体长轴的方向。如果细胞沿着长轴方向移动,它们挤进去的时候,就会把一些邻近的细胞推到外侧。

虽然动物肢体的形成之谜还未揭开,但是对植物生长的理解过去十年来已经取得了长足进步。例如,叶子生长是由高浓度的形态发生素引发的,在这里形态发生素是植物激素或生长素。但是,是什么物质或机制使得生长素在正确的位置上浓度高呢?最早的线索来自一些变异植物。这些植物的茎光秃秃的,像大头针似的。它们缺少了一种叫做PIN1的蛋白质,这种蛋白质可以主动把细胞里的生长素抽取出来。

在2003年的一项研究中,瑞士伯尔尼大学的克里斯·库勒迈尔(Cris Kuhlemeier)及其同事,在拟南芥的PIN1蛋白上添加了荧光标记。他们发现,这种蛋白在一些细胞的末端聚集成斑块,这些聚集点正是细胞中最靠近后来生长出叶片位置的地方(参见《自然》,第426卷,255页)。这表明,PIN1蛋白分子正在把生长素向应该长叶片的位置输送。

细胞又是怎么知道哪里应该长叶片的呢?库勒迈尔的研究团队认为,它们其实并不知道。PIN1蛋白的运动就像是被磁石吸引的铁屑一样。在这里,它们是被生长素吸引到了细胞的一侧。于是,每个细胞都按着一个非常简单的规则行事:把生长素向着临近的、生长素含量最高的细胞输送。这样就在某一点上产生了生长素浓度峰值,叶片就在这里生长出来。

随着茎或枝干的不断生长,一些细胞中的生长素耗尽,于是一些远离正在生长的叶子的细胞,就具有了比邻居更多的生长素。周边的细胞转而向这个方向锦上添花,生长素越聚越多,就产生了一处新的生长素浓度峰值,于是便长出了一片新叶子。2006年,研究证实,依据这条简单的规则,计算机模型可以产生出整齐有序的虚拟叶片。自然界中的植物叶片类型多样,而改变模型的参数也能产生出与之类似的不同叶片排列方式。

大同小异的原理也控制着叶片形状的形成,比如发育出锯齿状的边缘。英国牛津大学的发育遗传学家米尔托斯·桑第斯(Miltos Tsiantis)和他的同事们已经证实,拟南芥的叶片在生长素浓度峰值处会形成突起,在另一种据认为会抑制生长的分子的峰值处形成缺口。他们的研究以及建立的模型证明,简单的反馈回路,包括通过PIN1蛋白输入生长素,可以使叶片边缘产生出交替的生长素和生长抑制素峰值,从而形成锯齿状外形。

依据一些简单的规则,计算机模型已经可以产生出整齐有序的虚拟叶片。改变模型的参数也能产生出不同的叶片排列方式。图片来源:hidefwalls.com

方向感

所有这些研究都表明,极性,即设想每个细胞都具有方向感,是塑造形态的关键。“你可能认为,哦,它不知道一头和另一头的区别,”英国诺维奇市约翰·英纳斯中心的植物发育学家恩里科·科恩(Enrico Coen)说,“但事实上,细胞确实有方向性。”他把这种现象比作是体育馆里的一群人,每个人都面朝着同一方向。

这种方向感也有助于解释自然界中可见的许多叶片形状。在2012年发表的一项研究中,科恩的研究团队把拟南芥叶片中的一些细胞用荧光标记出来,然后通过显微镜仔细观察该处组织如何生长。之后,他们设计计算机模型,尝试对观察到的变化做出解释。该团队已经能够用模型来重现这种生长模式。在该模型中,叶片组织知道应该向哪个方向生长,而且有能力以不同的速度生长。调节该模型的参数,例如,改变一种蛋白的含量,可以产生出一系列与天然叶片类似的形状,包括椭圆形和心形(参见《科学》,第335卷,1092页)。

对于塑造器官形态来说,除了细胞的方向感之外,对发育中器官的机械力作用也明显具有不小的影响。“某些时候,机械力是不可或缺的,”法国国家农业研究所的植物学家奥利弗·哈芒特(Olivier Hamant)说道。

2008年,哈芒特的研究团队证实,植物细胞会由于机械力的作用而改变某些组成的排列。细胞中有一种被称为微管的蛋白质纤维,当研究人员用两片特氟龙树脂挤压植物茎的顶端时,微管的排列方式变成了和树脂片平行(参见《自然》,第322卷,1650页)。这些微管驱使细胞加固附近的细胞壁,使细胞更难以向树脂片的方向扩张。

植物茎圆柱状外形的生长原理,也能够用这种受限的生长模式来解释。内侧细胞不断地向外推,茎表面的细胞也许就会强化一部分胞壁来对抗这种力。这也就使得外侧细胞在没有强化的方向上生长得更多,从而造成整个组织形成一种在垂直方向上拉长的形状。哈芒特的研究团队发现,根据这些规则设计出的模型,可以产生像天然植物茎那样的垂直的圆柱形。

机械力可能还赋予了植物细胞方向感。以生长素和它的“搬运工”PIN1蛋白为例。在理论中,每个细胞都知道周围的哪个细胞具有最多的生长素,每个细胞内的PIN1分子都会向着最靠近它的那个细胞的一侧移动。然而,这个过程背后的机制并不清楚。

一种可能性是,细胞会对压力作出反应。如果一个细胞含有大量生长素,它的细胞壁就会变松,细胞就会膨大,从而拉伸与相邻细胞共有的那层胞间层,而那个邻近的细胞就有可能对此做出反应,把PIN1蛋白聚集到这种压力的来源方向上。近期一项研究发现,当细胞受到机械压力时,PIN1蛋白也会像微管一样在与压力平行的方向上排列成行(参见《PLoS生物学》,第8卷,e1000516页)。

要彻底揭开形态之谜,我们还有很长的路要走。不过,借助植物学家设计的各种关于结构发育的简单计算机模型,我们开始能够预测某一特定变化如何影响到形态。至少在理论上,这样的模型有朝一日将能够帮助我们设计出具有特定形状的植物。

当然,通过人工育种来影响农作物、花卉、鱼、狗、马和其他许多生命体的形态已经有数千年的历史了。例如,如果想要一种短腿狗,就用两只腿短的狗交配。不过绝大多数的育种工作都是摸索着来的,其中的机制并不清楚。而深入了解基因、形态发生素以及机械力之间的相互作用对生物形态的影响,将会打开许多新的可能。

对于机械力作用的不断深入的了解,已经帮助我们提高了组织工程学的水平。通过理解细胞对压力作用的反应方式,研究人员可以在实验室里培养出更好的替代组织,加快病人伤口愈合。例如,如果经常挤压,人造软骨就会更加坚韧,这和人们行走时对软骨的影响相同。

随着生物学家开始对形体发育进行更加细致详尽的研究,关于可能创造出新世界的想象,开始变得十分具有吸引力。这个新世界将不拘一格而又奇妙非常,拥有各式各样的新形态。现在,通过巧妙的处理,人们已经能够把植物改造成各种不同寻常的外形,用小箱子套住生长中的果实制造出方形的西红柿,通过园艺造型让树木呈现出椅子的形态,甚至用树根制造出活着的桥。但是,如果关于这些形状的指令都可以编码进种子的基因,一经播种便会迅速生长出来,那又会怎样呢?我们能创造出带把手方便搬运的西瓜,开出鲜艳兰花的雏菊,或是可以长成预置好的房子的树木吗?

如果掌握了形态发育的一切原理,我们有可能创造出能够长成预置房屋的树木吗?图片来源:mmorpg.com

鸡龙

实现那些设想现在看来依然遥不可及,但是千里之行,我们已经迈开了第一步。例如,在近期的一项研究中,英国谢菲尔德大学的安德鲁·弗莱明(Andrew Fleming)及其同事,已经可以通过基因工程抑制水芹某些部位的生长。他们能够用可预知的方式改变这种植物的形状,比如让叶子弯曲成碗形,而不是保持平整(参见《植物杂志》,第66卷,941页)。

改变动物的形态要困难得多。但是转基因宠物,比如荧光鱼,市面上已经有售了。但一些生物学家向往的是更加大胆奇异的创造。其中一个设想是,创造出“鸡龙”——改变鸡的基因,让它们“返祖”,变成像恐龙祖先手盗龙(maniraptors)那样的外形。哪个孩子会不想要一只属于自己的宠物恐龙呢!

当然,伦理上的忧虑也是存在的。试图通过修改基因组创造出新的形态,也可能产生出病态的生物。这在传统的育种中已经出现过了,一些品种的动物注定要承受痛苦,例如存在呼吸困难问题的斗牛犬。

基因改造也不是无所不能。比如,也许有一天我们能够创造出长着翅膀的马,但这种生物永远也不可能会飞,它们可能连跑都跑不好。不过,从天堂鸟到竹节虫再到蓝鲸,自然进化已经产生出了许许多多奇妙的形态,聪明的设计者应该最终能够超越自然。

然而,驱动着无数研究人员不断前行的,是了解生长原理的渴望,而不是创造出新形态的前景。弗莱明喜欢引用澳大利亚作家雨果·冯·霍夫曼斯塔尔(Hugo von Hofmannsthal)写于1898年的一个句子:“假如我对树枝上生长叶子的过程了然于胸,我会永远保持沉默,因为知识已经让我心满意足。”

一个多世纪过去了,我们仍然没能实现目标。但是,我们正在接近。

 

编译自:《新科学家》,The shape of life: Biology’s biggest mystery

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