生命的成形：不是人類製造了胚胎，而是胚胎造就了我們（簡體書）

簡單的受精卵如何湧現出複雜的結構、行為與意識？

在容易出錯的機制之下，人體如何精確地構造自身？

l 超越基於人類工程的平凡類比：從胚胎的第一視角來看待發育的動態變化。沒有計劃說明、沒有工程圖紙、沒有外部指令，自組織、自維持、自修復——胚胎是一片自我創造之地，在復雜之上疊加複雜：歷史決定現在。

l 生命科學也是複雜性科學：以系統論超越還原論，頻頻尤里卡！圍繞核心原則“適應性自組織”，不拼貼信息碎片，用簡練的邏輯釐清知識的來龍去脈，讓讀者真正讀懂發育的原理，理解生命的成形由來。

l 又一位不把讀者當外行的作者：語言和內容一樣精彩。新鮮、認真，非常難得。

一個人出生前九個月的歷史，可能比出生後的幾十年更有意思

為什麼女性備孕階段就要開始補葉酸？青春期很多孩子經歷過的骨折，為什麼很多發生在手臂長骨上？人體為什麼能在該長手臂的地方長手臂，手臂又為什麼能長出上臂、下臂和手，手又為什麼是五指而不是其他？我們如何從一顆受精卵發育成一個完整的人體，“我”到底從何而來？

英國解剖學教授傑米·A. 戴維斯匯集了人類胚胎髮育近年來的重要研究進展，綜合了演化生物學、胚胎學、新生兒科學、遺傳學、生理學、免疫學、畸形學等多學科領域的發現，既有經典認知也有前沿革新，以“適應性自組織”為核心邏輯，為我們清晰地描述了從微觀分子到宏觀形體等方方面面的發育過程與原理。不僅如此，作者還引入了數學、物理學、控制論等抽象思維，從拓撲學等角度來思考：完整的發育是如何實現的？人為什麼會發育出現在的種種生理機制與形態？受到損傷之後再修復、罹患疾病之後再康復——我們又如何可以從發育的角度去重新認識人體機能的種種局限與可能？

清晰地解釋了創造出複雜結構的簡單相互作用，嚴謹且充滿了令人驚訝的細節事實。

——《新科學家》（New Scientist）

詳盡地闡述了胚胎學的內容。雖然文字頗學術，但核心內容是作者反復強調的幾個基本發育原則……從遺傳學到腫瘤學，作者還將胚胎學與臨床實踐相聯繫。本書既實用又很能帶給人啟發。

——“醫生書架”博客（The Doctors Bookshelf）

出版後記

《生命的成形》的英文書名為Life Unfolding，後一個詞（unfolding）既可以指作者對個體發育過程的展開，也可以表現生命從單個細胞到復雜身體的成形過程。從形體結構上看，發育像極了摺紙，每一個變化好比一道道摺痕，作者講述的是這些“摺痕”的由來。出版方能力有限，未能在中文書名中復原出英文書名的動態雙關，只能想辦法盡量彌補，在封底藉由圖像設計，把摺紙這個意象呈遞給讀者朋友。

類比能讓我們在閱讀中把較為抽象的原理轉化成形象的“影像”。通過這種手段構建起理解的基石之後，還是要回到作者反復強調的“自組織原則”。個體發育當然不是摺紙，當我們從這個類比中走出來，把外部的“摺紙人”或者說“捏泥人的人”撤掉，發育就是自發的“折疊”過程——簡單的細胞如何變得複雜，人體的各個部位、各個機制、各個細節都是怎麼動態協調完成宏大的成形過程的，這些也變成了單靠描述所無法解釋的問題。

本書的第270頁提到了一個可能很多人做過的測試：給生命下定義。讀者朋友們讀到這裡也不妨再做一遍，看看自己提出的標準會被哪些反例駁倒。這會是個很有意思的思考過程。作者也在“自組織”之後更進一步，提出了“從外界汲取能量，維護和更新自身的能力”這個標準。對發育的詳盡理解，不僅能讓我們理解生命是如何成形的，也有助於我們延伸學習身體構建出來之後的自我維護、受到損傷後的修復，以及很多人會經歷的衰老。作者的研究興趣不止在胚胎髮育生物學，他還很有興趣把這些知識應用於臨床醫療。這本細節上頗為學術的小書，也因此擁有了豐厚的實踐價值。

書不會因為學術性強而難讀，作者的寫作也沒有樹下任何信息壁壘，只要跟著一步步推演（沒錯，對發育過程的推演），就很難不回味開篇引用的柯爾律治的話：一個人出生前九個月的歷史，可能比之後的幾十年更有趣。每一個從混沌中湧現的個體，正是因為出生前的歷史而獨一無二。

2022年1月

前 言

1 遇見奇怪的科技……………………………………………………………………3

第一部分 草 圖

2 從單細胞到多細胞……………………………………………………………… 21

3 造就差異……………………………………………………………………………35

4 形成身體計劃…………………………………………………………………… 46

5 大腦之初……………………………………………………………………………66

6 分 割………………………………………………………………………………80

第二部分 增加細節

7 命運的對話……………………………………………………………………… 103

8 內部旅程……………………………………………………………………………114

9 管 道………………………………………………………………………………131

10 器官的形成………………………………………………………………………151

11 伸展手臂（和腿）……………………………………………………………… 165

12 Y染色體………………………………………………………………………… 177

13 神經線路………………………………………………………………………… 196

第三部分 精雕細琢

14 死亡造人……………………………………………………………………………215

15 製造意識……………………………………………………………………………222

16 比例之魅……………………………………………………………………………235

17 交友與迎敵………………………………………………………………………251

18 維修模式……………………………………………………………………………270

第四部分 展 望

19 觀 點………………………………………………………………………………297

詞彙表 313

參考文獻 322

延伸閱讀 351

章節開頭的引用來源 354

出版後記 358

1

遇見奇怪的科技

一個人出生前九個月的歷史，可能比之後的七十年更有趣。

——塞繆爾·泰勒·柯爾律治（Samuel Taylor Coleridge）

英國哲學家、詩人柯爾律治寫下以上這句話時，用的是成人的考究語言，表達的卻是每個孩子都曾有的好奇。他們問父母：我從哪裡來？由於這很可能涉及兩性和應該在什麼時候給孩子講解到什麼程度的問題，很多父母會變得局促不安。提問的孩子對父母的心思一無所知，對他們來說，問題更單純，也更複雜：他們只想知道，一個全新的人，是如何從無到有出現的。

孩子從未得到全面而正確的答案，因為從來也沒人知道得足夠多。在柯爾律治寫作的年代，人們已經部分了解到，一個全新的人在子宮內生長的過程中，會經歷一系列解剖結構上的變化。但這些變化是怎樣的，又為何發生，在那時還完全是一個謎。過去的兩個世紀裡，一代代科學家費盡心思，想要知道一個受精卵如何變成一個孩子。過去十年間的科學飛速發展，隨著錯綜複雜的人體機制展露在人們面前，神秘感稍稍退去，人類的敬畏之心卻越發強烈。研究人員正在發掘的這些故事足以震驚世人，但至今為止幾乎只出現在學術期刊上乾巴巴的文字中。這是關於我們每個人的經歷的故事，理應屬於每一個人。寫作本書是一次嘗試，是一個恰好在該領域工作的科學家的嘗試。他匯集了近年來相關的重大研究進展，來解釋這個複雜的、帶著孩子氣的提問：我從何而來？

我們現在對人類胚胎髮育的理解絕非來自某一特定研究，而是綜合了從各個學科得到的信息。與發育直接相關的是胚胎學和新生兒科學，這些學科研究提供了與之相關的解剖和功能信息。遺傳學和毒理學為發育生物學帶來了更廣闊的視野，對甄別造成先天異常的原因有極大的價值。這非常重要，因為了解導致畸形的原因能夠幫助研究發育的科學家找到那些正常發育所必需的分子通路。生物化學和分子生物學會幫助研究這些通路的作用細節，甚至可以追溯到空間尺度上小到生物分子的原子之間的相互作用。細胞生物學致力於說明分子通路如何联合起來控制每個細胞的行為。以更大的維度來論，生理學、免疫學和神經生物學揭示了眾多細胞之間交流與合作的種種細節。

以上提及的學科都從屬於生物或者醫藥科學，也是胚胎研究的傳統領域。近年來，還有一些學科初看上去和胚胎毫無關聯，但也給人類發育研究帶來了啟迪，例如數學、物理、計算機科學，甚至還有哲學領域的研究。這些研究並不提供哪個細胞什麼時候做了什麼的細節，而是關心有更深遠意義的抽象問題，比如：簡單的東西如何變得複雜？這些很容易出錯的機制是怎麼完成精確的構造過程的？人類發育是否太過複雜，甚至超出了發育完全的人能夠完全理解的範疇？對於最後一個問題，人們從未達成定論，而何謂發育“完全”恰恰是爭論的焦點。關於前兩個問題，研究人員已經取得了重大的進展，他們找到的答案都與“湧現”（emergence）和“適應性自組織”（adaptive self-organization）這兩個概念有關。這兩個名詞分別位於更高層和更低層，是同一個問題必不可少的兩方面。那些關注高級行為的人喜歡用“湧現”：由簡單的組成和規則發展出複雜的結構與行為。“適應性自組織”是一種基於單個組分、由下而上的描述：簡單的組分遵循某些簡單的規則，就可以共同形成大規模的、巧妙或精緻的東西。

我們對發育日益增進了解，其中有一點毋庸置疑：身體的自我構建與我們在建築和工程中熟悉的構建方法截然不同。這凸顯了這樣一個事實，我們完全不了解自己身體的構造方法。這個事實有多諷刺，它本身就有多重要。讓我們來比較和對比一下生物系統和人類的建築技術，這可能十分有助於理解胚胎的發育過程。

幾乎所有的工程項目，比如組裝機車、建造房子都有一個共同特點，那就是首先會有一個明確的計劃，通常是一張圖紙或者其他適應性自組織的同義詞，子類型還包括“群體智慧”“蜂巢思維”等。這些詞彙被用於人群和社會性昆蟲的研究，但用這樣的詞似乎太感性了，不太適合用在分子或細胞上。因此我在本書和以前寫作的書中都選擇了“適應性自組織”這個詞，在數學和物理領域，人們更常使用這個詞。類型的計劃書，其中會包括明確的預期目標。計劃書會詳細描繪出項目完成時的構造，但計劃本身並不是實體成果的一部分。每個項目都必須有人統籌全局，一個總工程師或建築師，他利用有著一定等級結構的指揮系統，把指令傳達給負責切割、砌磚、焊接和粉刷的工匠。而由工匠完成的各個部分不能自主組合，只能依賴工人膠合、拴住或焊接。不過這些工人也不是最終建築結構的一部分。工人和總工程師引入了大量的“外在”信息，例如焊接或澆築拱門等，但這類知識細節並不會直接呈現在建築上。大多數結構要等整個工程全部完工以後才會開始發揮預期的功能。

如果你在生物結構中尋找這類特徵，就會深深意識到生物與傳統機械和土木工程之間的巨大差別。和工程項目不同，生命的構造過程並不涉及計劃書，沒有包含任何對最終結構的闡述。受精卵內（基因、分子結構、特定化學分子在不同位置的濃度差異）必定包含信息，但這些信息與最終的身體構成沒有簡單的對應關係。我們已經知道，這些信息可能續發之後的一系列事件（我們之所以知道，是因為我們改變信息之後，比如讓基因突變或者改變相關化學物質的位置，就會改變後續的發育步驟，導致發育出現異常）。

在工程項目中，特別是應用到數學的，建築施工人員可以根據一系列指令把最終結構創造出來。告訴一個人，把一根木樁打入麥田的中央，在上面系一條繩子，抓住另一頭向遠處走，把繩子拉直，然後向右轉，保持繩子緊繃的同時繼續行走，這就是一個簡單的指導製作麥田圈的指令。對於有些結構，使用指示來說明，比畫滿細節的圖紙直截了當得多。如果你碰巧手邊有筆和紙張，嘗試跟隨下面的指令，畫一個被稱為謝爾賓斯基鏤墊（Sierpinski Gasket）的幾何圖案：

1. 畫一個底邊水平的等邊三角形，畫得盡可能大。把這個作為基底三角形。

2. 取各邊的中點，用線段連接每條邊的中點和相鄰邊的中點，一共畫三條線段。這三條線段會組成倒置的、占基底三角形四分之一面積的三角形。

3. 把這個倒置的三角塗黑。

4. 此時，基底三角形內有三個未塗黑的正置的三角形。把它們作為基底三角形，重複以上兩步。

（覺得無聊了就停下來；如果鉛筆夠用，就可以無限重複這個過程。）

把那些塗黑的部分想像成鏤空狀態，你得到的圖案就像某種鏤墊，這是分形，也可以說是自相似性（即任意放大後形態相似的結構）。另一個例子是康托爾集（Cantor Dust），這是一種在容易擦除痕蹟的材料上很輕鬆地畫出來的結構。例如在黑板上畫一條線，擦掉中間的三分之一，創造出兩條相對較短的線。然後再擦掉短線中間的三分之一，製造出更短的線……一直重複這個步驟。不消一會兒，你就會得到帶有特別間隔的一系列粉筆短線。而這些間隔與大量自然現像有著相同的統計特徵，例如沙丘傾塌的大小分佈、漏水的水龍頭滴水的間隔，還有大地震、傳染病和大滅絕的發生間隔等。

即使在數學之外，與繪製出一張展示最終樣式的詳細圖紙相比，給出一系列規則而製造出一種特定的構造是一種更普遍的做法。美食教程如此，紡織說明也如此：簡單的有“一針正針，一針反針”這樣的圖案說明，也有復雜如雅卡爾（Jacquard）1801年發明的織布機上複雜的打孔卡——那可以說是世界上第一台可編程的製造設備。音樂也採用類似的說明方式，五線譜上的音符告訴樂手何時開始演奏，也會指示演奏的音高和時長。

長久以來，在我們的文化中，人們通常會通過一種簡單的方法，即給出說明書來詳述如何得到某種預期的結果。這讓我們很容易就接受一種想法：生物信息也通過類似的方式構建了我們自己。然而，這種想法很危險。其實二者之間存在一個關鍵區別：人類構建一個對象總是依賴一系列說明，並且由一個外在的智能中間人，理解並遵循這一系列指令後組建完這個對象。即使有些東西初看上去像例外的產物，比如針織機或是能自動演奏的鋼琴，但這些機器本身還是由那些中間人理解指令後完成的，所以它們並不是真正的例外。簡而言之，羊毛開衫、交響樂、小汽車和教堂都不能創造它們自己。指令、操作知識（比如針織、烹飪、焊接和砌石頭等）和對材料的物理操作都來自外部，而非構建中的結構本身。而胚胎中的信息與此相反，不需要任何外來的熟練工添磚加瓦或深思熟慮，只由胚胎本身接收信息與表達發育。不像大多數的技術構建需要某個人做總指揮，你很快就會明白，生物的構建由其中所有的元素共同參與。構建一個人的過程中，控制不是少數的、部分的特權，而是由系統作為一個整體來實現的。

要理解這種構建過程，我們首先要理解構建材料的特性。我的實驗室在愛丁堡大學，那附近有三座著名的橋：托馬斯·特爾福德（Thomas Telford）主持修建的典雅院長橋位於市內，本傑明·貝克（Benjamin Baker）標誌性的福斯鐵路橋橫跨海灣，一旁還坐落著福斯公路橋。特爾福德的那座橋由石塊砌成：這些材料又大又重，只有在受到重壓後才會穩固。他據此採用了傳統的建築方法：首先建造橋墩，然後造了一個用來撐住橋拱的木製支架，接著往這個架子上堆積形狀適宜的石材，直到石材的重量足以穩固支撐橋拱，再拆除木架。貝克用的是當時極其新穎的材料——鋼材來建造他的鐵路橋。這種材料既可以承受拉力，也經受得住壓力，因此他得以從橋墩處直接向外延伸鋼材，形成一種懸臂式結構；他們用起重機吊起那些長長的、相對較輕的型鋼，然後放到合適的位置，再用鉚釘把它們固定在一起。福斯公路橋是三座橋中建成時間最短的。這座懸索橋由緊繃的鋼索支撐，這些鋼索從兩側的吊塔上伸出，一直延伸到位於海灣另一側海岸的吊塔上。因此，造這座橋時首先要造吊塔，然後在吊塔後面為吊索建造牢固的錨碇，再一根根增加鋼索並拉緊，直到可以懸起整片路面。在以上各個例子中，材料的天然特性決定了建造橋樑的整體策略，每座橋樑都必須因材施工。生物界的建造策略也是如此，都取決於參與成分的特性。所以是時候介紹一下構成生物的三種重要成分了，我將在本書中一次次提到它們：蛋白質、mRNA和DNA。

目前，生物結構中已知最重要的分子是蛋白質。它們構成了最重要的物理結構，賦予細胞特有的形狀；控制物質出入細胞的通道和離子泵也由它們構建；另外，驅動和控制生命活動中化學反應的酶還由它們組成。這些生化反應包括合成DNA、生成脂肪和醣類的代謝途徑，這些物質也是身體的組成成分。蛋白質的相對重要性在紅細胞中體現得最為淋漓盡致。紅細胞在成熟過程中會丟棄細胞核，其中包含著細胞的所有基因。成熟的紅細胞可以持續生活120天左右。但如果一個細胞失去了蛋白質功能，僅僅保留基因，那它們活不過幾秒鐘。

蛋白質是由一個個氨基酸組成的長鏈。人體內有20種氨基酸，它們形狀不同，化學性質各異。這些氨基酸之間能夠產生相互作用，氨基酸鏈也因此傾向於折疊成複雜的形狀：有時候是自主折疊，有時候還會藉助臨時的“幫手”。折疊過程極其錯綜複雜，以至於人們目前還沒有能力在已知氨基酸序列的情況下，精確推斷出蛋白質的最終結構。（雖然人們已經開發出了預測蛋白質結構的電腦程序，但編程過程中涉及的計算和概率推理過程，都以已知的蛋白質結構與序列關係為基礎，這些都是通過氨基酸序列和X射線晶體學得到的結果。預測蛋白結構有點像預報天氣，就是稍微準確一點。）

不同的蛋白質，其氨基酸序列不同。一個又一個的氨基酸根據另一種生物分子信使RNA（也稱mRNA，請見圖1）指定的順序添加到不斷增長的蛋白質鏈中。mRNA分子也由多個單元鏈接成的長鏈構成，它們的構成單元是四種鹼基：A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）和U（尿嘧啶）。這些組成單元十分相似，相對於氨基酸來說，它們在化學活性上相對簡單。細胞中的mRNA除了指導生長中的蛋白質添加氨基酸的順序，就沒什麼其他用處了。蛋白質上的氨基酸序列由mRNA上的鹼基決定，三個鹼基排列成一組，共同決定一個氨基酸。

mRNA的鹼基序列直接由DNA的鹼基序列決定，DNA是由A、C、G和T四種鹼基串聯而成的長鏈分子。這些鹼基可能按照任何順序排列。參與構成我們人體46條染色體核心的每個DNA分子都有數百萬個鹼基。這裡面就包含了組成基因的一個個片段。一個基因被讀取後，DNA上的遺傳信息會被複製到RNA上：根據DNA鹼基Ａ、C、G、T的順序，轉化為RNA的A、C、G、U的語言。因此，RNA實際上是一種複制了遺傳信息的不同媒介，或稱為“轉錄本”（transcript）。正式讀取基因編碼的任務由蛋白質執行。它們首先會結合ATAAT、TCACGCTTGA這類鹼基短序列，這些序列常見於基因的起始處附近。不同的基因，其附近的短序列也各不相同，而不同的序列又會結合不同的蛋白質——因此，讀取不同基因的蛋白質組合各不相同。

不同的基因會由相應的DNA結合蛋白結合併啟動，這點十分重要，因為身體上的不同細胞需要製造出各自所需的蛋白質。例如腸道中的細胞會製造消化食物的蛋白質，卵巢中的細胞能製造產生性激素的蛋白質，白細胞能製造對抗感染的蛋白質。儘管這些細胞都含有基因組上的所有基因，包括永遠都用不到的那些，可是只有細胞需要的那些基因會被讀取出來，因為細胞中只有針對那些基因的DNA結合蛋白。

寫到這裡，我們不得不接受這樣的事實：在細胞或胚胎中，並沒有什麼“總負責人”。簡言之：生命體合成出蛋白質，僅僅是因為活躍的基因（通過mRNA）指定了這個製造過程。而這些基因之所以活躍，只是因為已經存在啟動它們的蛋白質。這是一個循環邏輯：哪裡都不受控制，因為哪裡都有控制（請見圖2）。