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古希腊人花了很多时间争论胚胎的本质，而绝大多数人都支持先成论。直到公元前4世纪，亚里士多德加入这场论战。他推论道，如果生物的躯体真的在发育开始之前就已经形成（从一开始便是完整的），那么观察者理应看到所有的结构同时出现，而不是一块一块地被零散组装起来。为了验证这一点，亚里士多德检查了数十个处于不同发育阶段的鸡胚，注意到鸡的心脏总是比其他器官更早出现（并开始搏动）。亚里士多德总结认为，躯体的各个部位在发育过程中是依次出现的，并非由原先就有的结构膨大而成。他的认识是正确的。后来，这种现象被称为“后成说”，表明动物的生长是逐步推进的，后出现的部位需建立在先前已有的部位之上。亚里士多德有理有据的推论让支持先成论的人哑口无言，在随后的2000年里，后成说作为一种范式，始终占据着主导地位。1
讽刺的是，到了17世纪中期，显微镜的兴起导致先成论再次受到人们的青睐。世界上第一台单镜片显微镜是由荷兰纺织品商人安东尼·范·列文虎克发明的，他本想寻找一种更好的方法，来评估布匹的丝线纺织质量，所以研究出了一套制作镜面的技术，使镜片的放大倍数达到史无前例的水平。到了1670年，列文虎克已经完全沉迷在打磨镜片的爱好里不能自拔，他几乎把能够找到的每一件样本都放到自己的显微镜下观察。凭借新式显微镜强大的屈光能力，列文虎克看到了一个令他大受震撼的小人国世界：一个此前人眼看不见的微型生命的世界。
列文虎克是世界上第一个亲眼看到微生物的人一原生动物、真菌和细菌，这些与我们生活在一起却又看不见的无处不在的生
物一在他的眼里，它们就像微小的市民，游荡在一座迷你的城市广
场上。列文虎克把它们称为“animaleues”（显微动物），因为他认为
这些生物只是动物的微缩版本，它们也有感觉，也像宏观的动物一
样，有结构复杂、功能齐全的内脏。随着列文虎克的显微镜变得越来
越强大，他能够看到的生物也越来越小，生物的微小程度仿佛没有
下限。
你可能会以为，有了能够看透卵子和精子内部结构的显微镜，又
亲眼看到各种极其微小的生物却没有找到任何迷你的完整个体后，先成论的观点就该不攻自破了。可是，对一个名叫尼古拉·马勒伯朗士的法国牧师来说，列文虎克的发现反而令先成论重新焕发生机。马勒伯朗士认为，列文虎克的发现带给人们的启示是：我们的感官具有欺骗性。倘若我们的身边生活着一大群生物，没有显微镜我们就看不见它们，那么世界上一定还存在其他看不见的世界等待着我们去发现。马勒伯朗士主张，随着性能越发强大的设备被发明出来，我们将会看到更深层的世界，显微镜的使用者终将找到相关证据，证明卵子里有预先存在的完整生物体。
实际上，马勒伯朗士的先成论观点并不局限于单一的卵子。在他的设想里，每个藏身于卵子内的完整个体肯定也携带着属于自己的卵子，而这些卵子里又有预先存在的个体，以此类推，无穷无尽。换句话说，在马勒伯朗士假想的世界里，每个卵子都包含了一系列预先形成的个体，这是一种无限嵌套的“种子里的种子”，犹如俄罗斯套娃。既然此前从未有人觉察到列文虎克发现的显微动物，那么谁又能说随着时间的推移，我们不会再在显微动物身上有类似的发现呢？引自 第1章 一细胞问题
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发育的过程是不可预测的，这场旅途充满了不确定性，时刻都危如累卵。每当细胞发生分裂，它都要读取、复制和翻译数以十亿计的DNA字母，这样的过程在动物个体成年之前会反复上演无数次。绝大多数细胞内的分子反应都无比精准，准确率往往在99。9%以上。但庞大的绝对体量（发育的过程涉及数十亿细胞）意味着错误在所难免。（假设细胞每次分裂的时候需要完成10亿次操作，那么即使错误率是0。01%，最后也会出现10万个错误。）面对无可避免的错误，大自然的应对手段是可塑性：GPS（全球定位系统）在你走错一个路口后能重新规划路线，而生物体的可塑性相当于这种路线修正系统的发育版本。以海胆为例，细胞在胚胎被晃散后改变了自己的发育路径，它们不再只作为海胆的一部分，而是各自独立发育成新的海胆个体。杜里舒的发现堪称可塑性的经典例子，而你可能已经猜到了，这也是同卵双胞胎、三胞胎，乃至更多胞胎产生的方式之一。引自 第1章 一细胞问题
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施佩曼思考的成果是一种被称为“细胞移植”的实验方法，顾名思义，这种方法是将细胞从一个胚胎转移到另一个胚胎上。在转移的过程中，细胞在受体胚胎上的落点可以随意挑选，既可以落到与原先相同的位置，也可以落到完全不同的新位置。施佩曼推断，通过观
豪这些细胞在融人牙—个环胎后的表现。就能知道它们的命运究竞是闲定（确定的）还是不固定的（可塑的）了。这个实验犹如新伯纳创作的戏剧《卖花女，可怜的卖花女孩伊莱莎·杜利特尔被富人选中，从伦敦的街头搬进了语言学家亨利·希金斯富丽堂皇的家中。这出戏剧的关键矛盾是，杜利特尔能否融人新的环境（答案是可以），作为一名生物学家，施佩曼对细胞移植的看法同希金斯对女孩的看法类似：他认为细胞移植是一种区分手段，可以用来确定胚胎细胞是否是
预设好的
一它是只能遵循固定的发育路径，还是具有可塑性，能够
适应新的环境。
身体康复之后，施佩曼开始利用蝾螈的胚胎将这些想法付诸实
践。与鲁一样，施佩曼有一双灵巧的手，他非常擅长处理脆弱的实验
样本。“事实证明，这种素质不可或缺，因为细胞移植需要操作者具
备最顶尖的手眼协调性。施佩曼还专门制作了用来固定和移动胚胎的
实验工具：他用头发丝绕成的环切割和分离胚胎组织，用侧面开口并
套上橡胶的微量移液管将移植组织推入受体胚胎。这些操作必须在严
格的无菌环境里执行，因为细菌的污染很容易导致一整天的努力白
费。除此之外，操作者全程都得盯着显微镜的目镜。
引自 第1章 一细胞问题
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作为回应，达尔文在1868年提出了一种名为“泛生论”的补充理论，试图填补先前的漏洞。这个理论假设生物体的组织会释放一种微小的遗传碎片，达尔文称之为“微芽”，它们可以凭借循环系统，从全身各个部位进入卵子和精子，然后遗传给下一代。最关键的地方在于，按照达尔文的设想，动物在一生中遭受的环境压力会影响微芽的构成，而微芽成分的变化可以遗传给下一代，正是因为这种传递模式，鸟的喙才会越来越长，人的站姿才会越来越挺拔。达尔文的新理论与让巴蒂斯特·拉马克提出的进化学说（他相信长颈鹿的长脖子是它们的祖先极力拉伸的结果）非但没有冲突，反倒给人一种惺惺相惜的感觉。
如果说自然选择代表了自然主义的高光时刻，那么泛生论就是它的污点。奥古斯特·魏斯曼（我们在前文探讨过他提出的发育镶嵌模型）曾做过一个很有启发性的实验。魏斯曼听到了一些关于短尾猫的传闻，据说这个品种的出现是因为一只母猫遭遇了不幸的事故（按照民间传说，它的尾巴被一辆马车的轮子轧断了）。这让魏斯曼萌生了做一种迷你进化实验的想法。他切掉了十几只小鼠的尾巴，然后切掉
这些小鼠后代的尾巴，就这样一直切了5代以上，目的是确定这种做法能否培育出尾巴较短的新品种小鼠。魏斯曼总共经手了900多只小鼠，但没有一只小鼠在出生时长着异常的短尾巴。3虽然这并不能证明后天获得的性状不可遗传，但也足够让本就人气低落的拉马克学说雪上加霜了。就连达尔文也意识到了自己模型里的错误，因为他注意到，实践数百年的割礼并没有导致犹太男性的包皮消失。4
泛生论的提出是一次很有意义的尝试，只可惜到头来，它并没能为遗传现象提供一个令人满意的解释。其他理论相继出现，它们都是达尔文理论的变体，只是加入了一些新的术语，其中一个理论用“pangene'”（泛子）代替了“微芽”，它或许是“gene”（基因）这个词的前身。生物的性状可能源于某种物理实体，而不是无形的仙气，这种观念逐渐开始深人人心。可是人们不知道这种物理单元究竟是什么，也不知道它们具有怎样的行为表现。遗传学的研究就此陷人停滞。引自 第2章 细胞的语言
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到了1920年，基因在细胞核内的染色体上呈线性排列，而且符合摩根和斯特蒂文特的计算结果的观，点已然成为共识。那么，为什么没有人认为核酸（核质此时的名称）就是遗传物质呢？2答案很讽刺，因为人们觉得它太平庸了。
根据米舍的鉴定实验，对核酸的初步分析表明，这种物质由3种分子基团构成：磷酸基团，它是核酸磷含量极高的原因；一个糖分子，名为脱氧核糖；以及一个“碱基”，碱基一共有4种，分别是腺嘌昤（A）、鸟嘌呤（G、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。当时的科学家已经开始考虑核酸的化学结构了，他们想知道这些基团在三维空间里的排布方式。其中有一个名叫菲伯斯·列文的俄裔生物化学家总结认为，核酸只是4种碱基的不断重复，A、G、T和C随机组合，紧靠在一条由糖和磷酸构成的“主心骨”上。倘若真如列文所言，如此单调的结构意味着核酸似乎只是在细胞核里承担某种机械功能，而不太可能作为遗传信息的物理载体。列文的名气使这种分子模型颇具可信度，核酸也因此退出了遗传物质的角逐。引自 第2章 细胞的语言
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有一天，格登走到水缸边，看到里面的一只雌蛙受到了惊吓。它弓起灰绿色的身体，朝格登蹬了一下后腿，力量之大，不但水花飞溅，许多躺在水缸底部的蛙卵也被晃得飘来荡去。格登正在考虑怎么用这些蛙卵做实验，它们是雌蛙在前一天晚上刚产的，此时格登突然想到，从过去的实验和错误中看，用新鲜的蛙卵做的实验结果往往更
好。于是，他果断行动，用双手紧紧抓住那只雌蛙满是明胶的身子，防止它溜走。随后，格登用食指按压它的泄殖腔，模仿蛙的“抱对”雄蛙趴在雌蛙背上的姿势，这个动作方便雄蛙给新产的卵受精）。几秒钟后，格登轻轻地分开雌蛙的双腿，并按压它脊椎的末端，人为地激起神经系统内某些隐秘部分的冲动。起初，这只雌蛙还会反抗，乱踢乱蹬，试图挣脱格登的束缚。但格登始终不松手，于是它渐渐消停了，只得老老实实地完成大自然早在几百万年前就交给它的使命：它产下数百枚新鲜的卵，悉数落进下方的容器里，然后被格登收走了。
这些蛙卵呈完美的球形，其中一端有一个黑点，与之相对的另一端有一个浅黄色的点，犹如一颗颗影影绰绰的天体。格登把它们放进玻璃培养皿里，然后用一根滴管洒上一层薄薄的蛙的精液。利用这种人工授精的方法替代青蛙抱对，格登可以确保所有蛙卵同时受精。用不了几分钟，绝大多数卵就会被精子穿透。随后，刚刚形成的胚胎便开始了它们发育成熟的征途，胚胎细胞的数量每隔20分钟翻一倍，节奏非常精准。同其他所有动物一样，蛙的胚胎起初只分裂不生长，所以每完成一轮分裂，子细胞的体积就缩小1/2。6几个小时之后，培养皿里到处都是囊胚，虽然它们的体积并不比最初的卵细胞大，但内部密密麻麻地挤着数百个细胞。又过去几天，培养皿里出现了游动的蝌蚪。引自 第3章 细胞的社会
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在小说《美丽新世界》中，阿道司·赫胥黎生动地描绘了一个虚构的文明，在这个文明创造的社会里，克隆人类比比皆是。3小说的开头描写了一间工厂内的情形，这个工厂负责执行所谓的波卡诺夫斯基流程，其目的是大量生产完全相同的个体：
“波卡诺夫斯基流程。”主任又说了一遍，学生在他们小小
的笔记本上画出了这个关键词。一个卵子、一个胚胎、一个成年人一这是常态。但经过波卡诺夫斯基流程处理的卵子会出
芽、增殖、分裂。芽的数量为8~96个，每个芽都能长成完美的
胚胎，而每个胚胎又都能长大成人。原本只能生个人现在能生96个人。这就是进步。
作为用北方豹蛙做核移植实验的技术先驱，布里格斯和金迈出了
克逢动物的第一步（他们甚至在早期的部分研究中用到了“克隆”这
个术语。而利用完全分化的细胞核成功培育出动物个体的格登。更
是把这种实验方法推向了从未有过的高度。“格登的研究表明，至少
在理论上，我们可以用任何动物的细胞核培育遗传背景完全相同的新
个体一也就是克隆一其中也包括人类。但是，除了对社会和伦理
的影响（之后再探讨），格登的发现在生物学界引发了强烈震荡。既
然分化细胞的核能够发育成新的动物个体，那就意味着发育所需的遗
传指令依然被保留在细胞核内。5终于有人证明魏斯曼的理论是错误
的：细胞在分化的过程中并不会丢失基因。事实是，动物身上所有的
细胞都携带着全套基因，这个原则被称为“基因组当量”。
在格登取得成功之后，大批来自世界各地的科学家开始尝试用其他物种重现他的实验结果，尤其是用哺乳动物。他们想用兔子、小
鼠，猪、牛和猴子复制格登的实验，但是全以失败告终。虽然用胚胎
发生极早期（构成胚胎的细胞数量不到8个或16个）的细胞核偶尔能获得成功，但只要哺乳动物的胚胎发育到了比这更晚的时期，校移植实验就不会有任何结果，用成年个体的细胞做的实验就更不用提了。于是，科学家开始怀疑，是不是只有娃类可以被克隆。难道基因组当量原则是两栖动物独有的属性？
197年，在格登公布发现的近40年后，这些怀疑才被消除，由基思·坎贝尔和伊恩·威尔穆特领导的一个苏格兰课题组培育出了多引自 第3章 细胞的社会 哺乳动物的核移植实验技术难度极高，成功率远比蛙类的核移植实验低。即便如此，坎贝尔和威尔穆特的成功依然掀起了克隆哺乳动物的狂潮。迄今为止，取得成功的核移植实验已有数千个，涉及的动物包括小鼠、大鼠、猫、狗、山羊、水牛、骡、马、白肢野牛、骆驼和猴子。有的克隆甚至是在原来的生物体死后多年才诞生的，使用的细胞核来自冻存的尸体。每一例成功的动物克隆实验都会让基因组当量原则更加深入人心，它的核心内容如下：
从合子到成熟的个体，细胞不会丢弃任何基因一哪怕是它们不需要的基因。
目前，世界上还没有任何关于克隆婴儿存在的可信报道，尽管声称他们存在的言论不绝于耳。”如果说我们能从历史中学到什么，那就是：无论是什么样的技术性难题，最终都能被攻克。我们会在后文中看到，围绕这种生殖技术的伦理问题非常复杂。比如，创造两个在遗传背景上完全相同的人类（波卡诺夫斯基流程）本身就是一个可怕的想法。但是，如果我们用核移植技术培养健康的细胞，然后用它们法替换生病的细胞，这种先进的技术可以治疗很多退行性疾病，这样的船景是不是令人心潮澎湃？不管克隆技术会将我们带向怎样的未来那都是布里格斯、金和格登当初在琢磨怎么用针刺穿蛙卵时所不能想象的。引自 第3章 细胞的社会
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就定义本身而言，胚胎发育是一种只有多细胞生物才有的特征可是在20世纪40年代，生物学家却反其道而行之，他们放弃了前辈钟爱的海胆、蛙、蝾螈和果蝇，转而开始研究更简单的生物：细菌和寄生细菌的噬菌体。引领这种转变的人是马克斯·德尔布吕克，他本是加州理工学院的物理学家，后来改行成为生物学家。德尔布吕克提出，如果不知道最基本的生物学单位一
细胞一内部的工作原理，我们永远不可能理解结构更复杂的动物。至于要研究哪种细胞或者哪种生物，他认为并不重要。事实上，越简单的生物学体系就越是理想。德尔布吕克相信，作为一种生物学体系，动物还是太庞杂了，不利于基础性研究。
生物学研究转向微生物还有更贴近实践层面的原因。培养动物细胞既麻烦又昂贵，哪怕今天也是如此，它需要成熟的培养条件，还要用到无菌技术（为了防止微生物混入）。相比之下，细菌的培养基很简单，只需要最基础的营养成分，比如糖、氨基酸和盐。有了这些物质，细菌就能以惊人的速度分裂：每20分钟完成一轮。这意味着单单一个细菌就可以在一天之内产生千万亿个后代（如果是噬菌体，这个数字还会更大）。
德尔布吕克的观点激励了20世纪中期的分子生物学家，他们靠微生物积累了大量令人印象深刻的研究成果。奥斯瓦尔德·艾弗里根据肺炎链球菌的致病性实验得出了DNA是遗传物质（“转化因子”）的结论，这个发现后来又被玛莎·蔡斯和艾尔弗雷德·赫尔希的噬菌体实验证实。德尔布吕克曾与生物学家萨尔瓦多·卢里亚一起，利用这些微生物证明了突变是自发产生而不是由环境中的选择压力诱导的，他们的工作为达尔文在近一个世纪前提出的自然选择提供了实验证据。
尽管噬菌体是一种相对简单的生物学体系，但不管是利沃夫还是雅各布都没有想到，研究1的诱导（设法将细菌宿主内的它从休眠状态中唤醒）比预想的要复杂得多。问题非常多，但可用的工具非常粗糙落后。长期困扰他们的其中一个问题是，宿主在噬菌体诱导中扮演什么角色。无论怎么看，噬菌体都不像是有自己的意志，它们不太可能靠自己决定是沉睡还是醒来。更有可能的情况是细菌也参与了决策的过程，而且病毒和宿主之间存在某种相互作用，用来协调这种“决定”。雅各布决定把自己的精力投入研究作为宿主的大肠埃希菌。
1954年，雅各布获得了博士学位，他的毕业论文是进入微生物学领域的“敲门砖”，只可惜文章本身并没有多少新颖的见解。毕业后，雅各布与巴斯德研究所的同事伊利·沃尔曼成为朋友。沃尔曼正在研究一种类似交配的细菌行为，这种行为被称为“接合”。接合现象是乔舒亚·莱德伯格和爱德华，塔特姆在20世纪40年代发现的，它让细菌得以通过交换遗传物质来应对环境压力。（这种共享遗传物质的方式是导致抗生素耐药性在细菌中蔓延的主要原因。）通常，这
个领域的科学家把能够向其他细菌传递遗传物质的菌株称为“雄性”，引自 第3章 细胞的社会 给一个实验取名字是十分罕见的。但帕迪、雅各布和莫诺的研究实在太过重要，所以它成了例外。为了纪念这三位科学家，三人的研究被后来的人称为“PaJaMo实验”。虽然实验的设计很简单，但对结果的释义相当费脑。（雅各布和他的两位同事常年研究突变、接合和诱导现象，所以理解这个实验的意义对他们来说会稍微容易一些。）
PaJaMo实验得出了很多结论。第一个结论是基因是可以调控的。在三人开始做这个实验的年代，当时的主流观点认为，是乳糖分子直接与半乳糖苷酶和通透酶相互作用。比如，其中一种模型是这样的：半乳糖苷酶一直以一种没有活性的形式存在于细胞内，直到与乳糖发生某种化学反应，它才会被激活。不过，同雅各布此前所做的噬菌体的合子诱导实验一样，PaJaMo实验表明半乳糖苷酶的诱导也发生在基因的水平上，因为细菌通过接合传递的并不是蛋白质，而是基因。
迅速出现的诱导现象是由基因造成的。
第二个结论与调控基因的方式有关，这个过程后来被称为“抑制”。其实，莫诺先前就知道1ac的功能是抑制半乳糖苷酶和通透酶的合成，可他一直不明白这个功能是如何实现的。现在，事情稍微有了一些眉目。接合导致含有lacZ和lac的野生型基因组进人了原本没有这两个基因的细菌内。在lacZ完成传递后，由于这时候没有抑制因子（lacl编码的产物），细菌会迅速合成半乳糖苷酶（也就是lacZ编码的产物）。随着时间的推移，细菌开始合成抑制因子（编码它的基因也是通过接合进入细菌内的），这可以解释为什么半乳糖苷酶的合成会在持续半个小时后停止。换句话说，lacl基因似乎能直接对lacZ基因本身施加抑制作用，而不是抑制lacZ编码的蛋白质产物。至于具体的机制是什么，三人暂时还不知道。
最后，第三个结论关乎此前基因和蛋白质之间推测的关联。多年前，乔治·比德尔和爱德华·塔特姆已经证明基因与蛋白质存在某种一对一的关系，每种蛋白质都是由一个基因编码的，反过来，每个基因都编码了一个蛋白质。8不过，这个石破天惊的发现并没有回答信息是如何从遗传蓝图（以核苷酸的语言书写）流向蛋白质产物（以氨基酸的语言书写）的。人们需要一种新的范式来解释遗传信息的这种转化，而PaJaMo实验则暗示，基因和蛋白质之间存在一种传递信息的媒介，一种介于核酸和氨基酸之间的信使。引自 第3章 细胞的社会雅各布知道这种想法肯定不对。在PaJaMo实验里，半乳糖苷被诱导的速度很快，根本不是这种慢车吞的过程能相提并论的，。诱群发生后、细菌能在极短的时间里合成数量远超想象的蛋白质，有为以复制品为模板来复制复制品的模型，倒是与这个实验的结果相符刚刚才被发现的媒介一位置介于基因和蛋白质之间的mRNA一也让问题变得更复杂了，因为它肯定要在基因调节的理论框架里占据一席之地。
但是，最终促使雅各布找到正确答案的是噬菌体和细菌的一个共同点，这个特征从前很少引起关注：事实上，二者可以同时合成不止一种蛋白质。以大肠埃希菌为例，诱导（通过加人乳糖）引起细菌合成通透酶和半乳糖苷酶，二者的合成几乎完全同步。而在1噬菌体里，诱导的同步性甚至更加明显：当沉睡的噬菌体被唤醒时，新出现的蛋白质不是两三种，而是多达几十种。如果基因每次只能合成一个蛋白质，那就不会出现这样的情况。
雅各布的灵光乍现出现在最令人意想不到的场合：同妻子莉丝在电影院看电影时，他突然想到了合理的解释。这个真正的顿悟时刻，雅各布将它形容为“被熟视无睹的东西震惊”。要以如此有条不紊的方式发挥功能，抑制因子作用的对象只有一种可能，那就是DNA本身！终于，阻拦雅各布前进的概念瓶颈有了一丝松动的迹象。
“我觉得我刚刚想到了一件重要的事。”他对莉丝说完便离开了电影院。
现在，雅各布不得不从这个新想法的角度出发，重新构建整套体系。各种想法像洪水一样滚滚而来，但他最终还是找到了认识这种
种制因子的正确方式。更重要的是，这下mRNA也有居于自己的位置了：如果抑制因于能与DNA发生相互作用，那它就肯定会抑制相应的信使的合成。一种理论模型逐渐浮出水面：如果一个基因被关闭，那是因为抑制因子阻碍了mRNA的合成；而如果一个基因被开启，那是因为抑制因子消失了，mRNA得以被合成。抑制因子就像一种简单的开关，调节着基因的表达。这个模型仍需雕琢，至于它是否合理，莫诺是一个完美的测试对象。雅各布确信，年长的科学家会把这个理论视为异端，因为它与DNA不可碰触的性质相悖（虽然这个性质本身只是一种假设）。”他知道，只要自己能说服莫诺，那他就能说服全世界。
正如雅各布所料，他的搭档对这个理论很抵触。但雅各布坚持不懈，他不断地找莫诺讨论，一次、两次、三次，就像当年他一遍又一遍地找利沃夫。终于，这位同事开始皱眉，莫诺的兴趣被微发出来。莫诺每提出一个反对理由，雅各布就用严密的逻辑补上漏洞。新新地，莫诺开始理解这个理论的本质，更重要的是，他领会了它的妙处。事已至此，争论的双方已经不是雅各布和莫诺了，而是莫诺和膜诺：莫诺同时站在这个问题的两边，在支持理论和反对理论之间寻求平衡。过不了多久，莫诺就会倒向雅各布。雅各布知道自己颜了。引自 第3章 细胞的社会 事实证明，从植物到动物，所有的生物都在转录调控上耗费了惊人的能量。基因组不仅编码了为数众多的转录抑制因子，细胞里往往还有数量相当的转录激活因子，后者的作用是通过增强RNA聚合酶的活性，来启动基因的表达。调控转录的抑制蛋白和激活蛋白被统称为“转录因子”，这类蛋白质存在的目的很简单，它们要么是为了启动基因的表达，要么是为了使基因陷入沉默。人类的基因组含有多达1500种转录因子，占整个基因组的5%~10%。考虑到转录因子的功能仅仅是调控其他蛋白质的合成，这个比例可以说是很高。
如果我们后退一步，就会发现对生命来说，这种在调控上的巨大投入是有必要的。一套静态的基因组只能包含固定的遗传指令，这会导致细胞无法应对多变的环境，或者无法与其他细胞交流。如果没有一套能够灵活变通的基因组，我在前文介绍的可塑性一无论是胚胎在损失部分细胞后仍然可以正常发育，还是细胞自发地组成细胞社会一
都将沦为镜花水月。转录调控是细胞适应环境变化最普遍，也是最古老的方式。因此，你能想到的几乎每一种生物学过程一从生长到自我修复，从感觉到记忆一都与不同的DNA序列以不同的速率被转录成mRNA有关。引自 第4章 基因的开启和关闭
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对我们接下来要探讨的内容而言，“遗传学”的含义与上面所说的完全不同：它指的是利用可遗传的突变来研究生物学。换句话说，
遗传学在这里代表一种研究方法。这种方法给生物学研究带来了意料
之外的洞见，它的强大和美妙源于它几乎不需要什么先验知识。这种
遗传学研究方法背后的逻辑很简单：通过观察异常情况来认识正常情
况。如果一个基因的突变（基因型发生改变）导致一种新的或者不同
的性状出现（表型发生改变），那么这个基因就一定与这个性状有某种关联。于是，生物学研究变成了一个反向推论的游戏：表型的突变成了某种标识，我们可以通过它们发现隐秘的细胞学过程，揭示隐藏在其背后的分子原理。
你可以想想托马斯·亨特·摩根那石破天惊的发现。摩根用了几年时间才找到“白眼”的突变体，而这只特殊的果蝇为“染色体是基因的物理载体”提供了切实证据。不过，摩根的发现还有另一个鲜为人知的意义。“白眼”突变体的眼睛没有颜色，这恰恰意味着果蝇经典的红色眼睛来自未突变或者说野生型的“白眼”基因。（摩根没有合适的工具对果蝇的眼睛颜色做更深人的研究，但几年后，其他科学家发现“白眼”基因编码的蛋白质能把红色色素运送到果蝇正在发育的眼睛里，这可以解释为什么这个基因的缺失会导致眼睛白化。）简而言之，遗传学为我们提供了一个答案，而这个答案的具体含义需要由遗传学家来理解和释义。
这样的研究方法能让我们得出五花八门的结论，因为它的目标不是验证假设，而是提出假设。因此，这场遗传学探险
—寻找能够导引自 第5章 基因与发育个词在发育中的含义。《牛津英语词典》对“命运”一词的定义是根据某些哲学和流行的信仰体系，使得一切事件或者某些特定的事件在永恒的尺度上表现为预先注定且无法改变的原理、力量或者作用。因此，当莎士比亚笔下的尤利鸟斯·恺撒问出“天意如此，夫可违否”时，答案是显而易见的。命运，无论是在文学里，还是在日常生活中，都被认为是一种不可改变的命中注定，是预言者刻在石头上的金科玉律。命运代表不可违背。
可是在胚胎里，命运却有着不同的含义。它代表一个组织或细胞在不受其他因素干扰时的默认结局。不过，发育中没有所谓的不可避免的命运，因为一旦条件发生变化（比如，细胞发现自己来到一个新环境），那么此前所有的预测都必须推倒重来。因此，胚胎的命运形容的是一条可以预见的轨迹，而这条轨迹本身是可变的。本质上，这与我们在杜里舒的海胆实验及施佩曼的蝾螈实验里看到的没有什么区别。虽然合胞体胚盘的每个细胞核都有各自明确的未来，但这种明确的未来始终在随条件发生变化。
在发育的更晚阶段、每个细胞核都被自己的质膜包裹起来后，果蝇的幼虫便诞生了。（你可以把昆虫的幼虫理解成为变态做准备的幼体或者毛毛虫，它是介于胚胎和成虫之间的过渡阶段。）与不具备形态的合胞体胚盘不同，幼虫的结构高度有序，包括1个头部和11个体节。每个体节都有自己独特的身份：距离头部最近的3个体节将变成果蝇的胸部，而距离头部最远的8个体节将变成腹部。构成这些部位的细胞在成熟的过程中逐渐失去自己的可塑性，而当发育进入幼虫阶段时，绝大多数细胞社会里的细胞都已经各自投身到特定的工作里。
细胞和人一样，随着年龄的增长，路也越走越窄。引自 第5章 基因与发育 促使布伦纳从生物化学转向发育生物学的正是威斯乔斯和福尔德一直思考的那个问题：基因是如何控制发育的？但是，布伦纳的
目标更具体，某种程度上也可以说是更大胆，因为他把目光投向了生
物体曼有，也是最复杂的部分：神经系统。究竟是什么构建和塑造
了了不起的神经元网络，它是一切生物行为产生的基础吗？布伦纳认
为。神经系统的源头背定是基因，只要找到正确的做法，自己就能找
是哪些基因在发挥作用。
实验对象的选择非常关键。布伦纳在研究分子生物学时用过的衡生物应该不行，因为除了吃和睡（这些只对雅各布和莫诺的研究
菊带）。它们没有任何复杂的行为。可是，拥有复杂大脑和行为的动参一比如璃乳动物和两栖动物—
同样不适合。就连只有几千个神元第绳，对这样的研究来说也显得过于复杂了。布伦纳推论。理考生物痘孩台下面几个特征，紧读的基因组、简单的解制学结差每经经要尼绝高等。能修表现出可测量的行为。19用年，有轮形手岁到了他的实验对象，一种其貌不扬、名字物口的杆状线虫
巴学名到秀隔跑杆线虫（Caemorabdins Flegon心引自 第5章 基因与发育闲扰、而布伦纳似平没那么在意的事实：蠕虫的运动靠的是细胞，而
不是基因。風然从根木上来说，的确是DNA序列塑造了胚胎和压胎
组织、但负责执行推、拉、伸长和收缩这些动作的其实是线虫的细
胞。动物的细胞构成了一个整体，它们的行动建立在社会成员之间频
繁的沟通上、这与对邻居相对冷漠、只知道各自过活的微生物完全不同。发生在细胞之间的对话可能会让蠕虫做出推或拉的动作，也可能会让它们的身体伸直或弯曲、伸出或者缩回。如果谈及细胞沟通的重要性，哪个部位都比不上神经系统，那是运动神经元、感觉神经元和肌肉细胞共同作用的地方。苏尔斯顿认为，研究运动却对触发运动的细胞一无所知，犹如研究交响乐却不知道交响乐团有哪些乐器，很难说会有什么成果。
为了能够直接观察参与运动的细胞，苏尔斯顿把注意力转向显微镜的研究。他遇到的第一个难题是技术性的，原因是他想观察运动的过程。显微镜是为了观察静态物体而设计的，苏尔斯顿要观察的对象是鲜活的、会生长、会运动的蠕虫，生物的天性导致它们总是在显微镜的载玻片上左右扭动、翻滚、卷曲，或者滑动。
为了解决这个问题，苏尔斯顿把线虫放进充满大肠埃希菌的琼脂。这让线虫如鱼得水，因为它们不需要怎么蠕动就能吃饱和生长，如此一来，苏尔斯顿就尽可能地把它们限制在了显微镜的视野内。他的另一个创新是给显微镜的目镜加上了十字准星，这让他得以跟随线虫移动，就像第二次世界大战中的投弹手用十字准星锁定目标。连苏尔斯顿都没有意识到，他已经从化学家变成了蠕虫神经科学家，因为他能够根据这种无脊椎动物的行为诊断出或已知或未知的运动障碍。引自 第5章 基因与发育 细胞的传代和人类的血脉传承一样，也被称为“谱系”，而追溯细胞的谱系则被称为“谱系追踪”。这并不是一个新概念：早在19世纪晚期，爱德华·康克林等博物学家就曾以无脊椎动物为对象，研究过那些在发育早期发生分裂的细胞的命运。“只不过，从来没有人想过梳理整个生物体的细胞谱系。如果用人类的家族打比方，这就好比收集并整理一个生活在400年前的人的所有后代的身份信息。苏尔斯顿的优势在于他的研究不需要借助任何史料。因为蠕虫的发育只持续几天时间，他只需要盯着细胞一轮一轮地分裂，看看每个细胞在做些
什么，以及它们的后代会变成什么。
苏尔斯顿正是这么做的，从观察线虫的幼虫开始。他会连续几个
小时坐在显微镜旁边，观察细胞的分裂和分化，观察它们逐渐形成可
辨别的结构。观察每个细胞会在什么时候做些什么实在太艰苦了，以
至于椅子的轮子把水泥地面压出一道凹陷。苏尔斯顿还有一个搭档，
名叫鲍勃·霍维茨。霍维茨本是数学家，后来改行研究分子生物学，
他是才加入线虫课题组的新成员。苏尔斯顿和霍维茨成为好友，在接
下去的几个月里，他们一丝不苟地观察每一个细胞从幼稚发育到成熟
的过程，并共同绘制秀丽隐杆线虫幼虫的细胞谱系图。
二人的努力换来了三个惊人的发现。第一个发现，每一条秀丽隐杆线虫的细胞数量都是完全一样的，这着实出人意料。在从卵内破壳而出时，每条幼虫都由558个细胞构成，而每条成虫则由959个细胞构成。看起来，线虫似乎无法容忍数字的偏差。Ⅱ
第二个发现跟恒常性有关。线虫之间不只是细胞总数相同，就连每个细胞是从哪里来的也是相同的。某个位置上的某个细胞在一个胚胎里的表现与同一个位置上的同一个细胞在另一个胚胎里的表现如出一辙。大自然塑造动物的方式可谓丝丝人扣，周而复始，每个个体的发育都完全一致，至少线虫是这样的。2
第三个发现与细胞数量的减少有关，某种程度上，这是最出人意料且最重要的一点。细胞的死亡在整个动物界随处可见，它是成体和胚胎组织都有的特征，过去认为这是磨损和消耗的被动结果。可从
细胞的谱系图上看，这种认识是不对的。苏尔斯顿在不同的线虫个体
身上观察到，每次死亡的总是相同的细胞，而且它们的死亡总是发生
在同样的时间点。这种毁灭细胞的现象完全不是随机的，而是程序性
的。除了固定不变的细胞增殖和分化模式，秀丽隐杆线虫的细胞谱系还有第三种固定的过程：细胞死亡。引自 第5章 基因与发育随着科学家开始从进化的角度比较发育的机制一这个领域有一个高深莫测的名字，称为“进化发育学”一大自然会通过增加某些基因的数量并重新赋予它们新的功能，让生命之树抽出新的枝丫，这已然成为显而易见的事实。尤其是参与早期发育的基因（包括海德堡筛查发现的那些），经常出现数量倍增的情况。比如，果蝇的基因组只有8个Hox基因，而哺乳动物的基因组有将近40个Hox基因。
因此，威斯乔斯和福尔哈德发现的基因不仅是果蝇用来规划身体结构的蓝图，它们也是整个动物界通用的蓝图。事实上，一项比较果蝇基因组和人类基因组的研究发现，至少75%的人类致病基因有对应的果蝇基因版本。16其中一些基因通过指导细胞的沟通发挥功能，这些基因的名称一hedgehog（刺猬）notch（V字形缺口）、wingless（无翅）和armadillo（犰徐）一反映了当它们发生突变时，果蝇的身体会出现怎样的畸形。还有一些基因，比如含有同源异形框的ultrabithorax（双胸突变）和abdominal B（腹部突变B），则具有调节其他基因表达的功能。
大自然构建人体的方式与它塑造一只果蝇的方式似乎没有什么区别，尽管这两个物种早在6亿年前就走上了不同的进化之路。引自 第5章 基因与发育到了20世纪0年代，发育生物学、遗传学、分子生物学和进化生物学基本上已经融合在一起。虽然这些学科的科学家使用的工具不同，但他们都在为解决一细胞问题添砖加瓦。而利用上面所说的遗传学方法研究线虫和果蝇，他们多少得到了一些答案：少数基因的产物一转录因子、可溶性蛋白质、细胞内信息分子和非编码RNA一承担着构建身体的职责，不管是鱼、恐龙，还是猩猩，概莫能外。勤俭节约的大自然在生物体的发育中反复利用相同的设计理念，不断地复制和编辑比秀丽隐杆线虫和黑腹果蝇本身更古老的遗传程序。
物理学家理查德·费曼曾说：“凡是我不能创造的，就是我还不理解的。”用这种标准来衡量知识显得十分苛刻，发育生物学家还远远做不到这一点。18正是因为科学家在线虫、果蝇和其他生物中做了很多遗传学的筛查实验，因此就算不是所有，我们也已经发现了大部分在发育中发挥通用功能的基因，而且对它们的蛋白质产物是如何工作的也有了粗浅的认识。由此可见，我们并不欠缺对这些基因本身及其产物的认识，真正让我们感到迷惑的是发育的宏观图景：基因如何通过合作编制出一张错综复杂的网络，并在此基础上造就身体城市和细胞社会。从这种意义上来说，对“如何”的问题，我们或许才刚刚触及一点儿皮毛。法国科学家兼哲学家让·罗斯丹有一句话说得很准确，那就是：“生物学家会死，而青蛙永存。”9引自 第5章 基因与发育
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如果你曾经从头到腰紧接着又从腰到头地抚摸猫（很可能引起猫的不悦），那么你肯定能直观地理解形态发生的另一个特点，这个特点被称为“平面细胞极性”。我在前文说过，上皮细胞懂得如何区分顶部和底部，但它们的本体感受能力不止于此，上皮细胞也知道前和后的区别。平面细胞极性让皮肤上的毛发能够指向同一个方向，除此之外，它还保证了肠道能把食物推向正确的方向，以及内耳中的毛细胞可以按恰当的方式排列，从而让我们产生平衡感（其他作用还有很多）。9
如果细胞能分辨前和后、顶和底，那它们也能区分左和右吗？这要看具体是谁的细胞。许多动物是完美对称的，身体的左侧和右侧没有任何区别。但也有一些生物，包括人类在内，具有“偏侧性”一表现为某些器官位于身体的右侧（比如肝脏），而另一些器官则位于身体的左侧（比如脾和心脏）。这种不对称性出现在发育早期，大概在原肠作用前后，原因是原条附近有一些特化的细胞，它们所在的区域被称为“原结”。这些特化细胞的表面长着螺旋桨似的结构，名为“纤毛”。但纤毛只能沿一个方向旋转，也就是顺时针方向。引自 第6章 请指点我，拜托了！如果我们再次用崛起的城市来类比胚胎，那么每个器官都相当
于一处建筑工地。我已经介绍了，在原肠作用开始之后，我们的细胞
会重新落位、被某些信号吸引，或者被它们的邻居推来搡去。在此期
间，细胞始终通过与周围的环境保持频繁的联系而对自己是谁（身
份）及自己在哪里（空间位置）保持清晰的认识。然而，在原肠作用
结束之后，我们这个建筑工地的比喻就不再成立了。因为建筑是由成群结队的工人建造的，而我们的器官却不同，塑造它们的正是构成它们的材料。科学家对这个过程的分子机制知之甚少，但少数几个特殊的例子能让我们对生物组织的这种自组织性如何发挥作用有个大致认识。
黏性的作用
一个世纪前，发育生物学家惊奇地发现，胚胎知道如何通过采取行动来自我纠偏。于是，他们把胚胎称作一台能够自我组装的机器。如今我们知道，细胞与细胞之间的互动（告诉它们应该变成什么及应该去哪里）是胚胎这种自我调控特性的基础。细胞会走哪条路取决于它们一路上接收到了哪些信号。即使秀丽隐杆线虫具有看似不变的细胞谱系，也无法免受这种影响：线虫的发育看上去千篇一律，但那仅仅是因为它们的细胞总是在对同样的刺激做出应有的反应。
除了这些信号，还有另一种作用力在发挥作用：差异黏附（不同细胞之间的亲和性不同）也在组织的形成中扮演着重要角色。这个引自 第6章 请指点我，拜托了！ 当我们面对其他生物时，最先注意到的经常是对方的尺寸。紧接着，我们会反射性地想到那个古老的问题：是我能吃了它，还是它能吃了我？哺乳动物成体的体重差异很大，最小的小臭鼩仅重1。5克，最大的蓝鲸重150000000克，二者相差一亿倍。然而，无论成体的体型如何，所有动物都是由大小相仿的受精卵发育而来的。决定生物体和器官尺寸的指令一定藏在动物的基因组里，但它们的真面目是大自然隐藏最深的秘密之一。5
虽然细胞的尺寸略有差异，但这种差异不可能影响动物的体型。细胞的数量才是决定生物体及组织大小最重要的因素。这个变量受到多个因素的影响，包括循环系统内的激素，比如生长激素和胰岛素样生长因子（IGF）。对人类来说，缺少生长激素会导致身材矮小，而对狗来说，IGF对应基因的可遗传突变造就了体型较小的品种，例如
吉娃姓、博美犬和玩具贵宾犬。“营养也是影响因素之一，无论是在出生前还是在出生后，营养不良都会导致生长障碍。
可是，这些因素都无法解释为什么从小臭齁到蓝鲸，在如此巨大的跨度中，每一种动物的体型分布却显得如此局限。生物学家达西·温特沃思·汤普森曾指出：“我们提到东西的尺寸时，是将它与它应有的样子做比较，例如小象和大猫。””营养不能解释这些差异，因为一只肥硕的老鼠终究只有老鼠那么大，它只是更胖一些。另外，包括IG℉在内的激素或许能解释同一物种不同个体的体型差异，可它们不能说明为什么整个动物界的动物有大小之分。事实上，动物的体型并不是由这些因素决定的，而是以一种我们目前未知的方式被刻在了动物的遗传密码里。
值得注意的不仅仅是生物体整体的大小，还有各个部位的比例。人类的臂展大致与身高相当，肝脏的重量几乎占体重的2%。我们的身体呈左右对称，所以右臂和左臂的长度差不超过半英寸①。身体各个部分的比例因物种而有差异，但在同一个物种内又能保持惊人的一致。那么，如此精确的体型、对称性和比例是如何实现的呢？
答案可能是基因和环境共同作用的结果：生物学的事大多如此。科学家围绕这个问题做了很多研究，其中最叫人长见识的要数罗斯，哈里森在20世纪20年代做的一系列实验，10年后，维克托·特威蒂和约瑟夫·施温德拓展了他的研究。他们的实验是使两种钝口螈的肢芽（将来会发育成四肢的原始组织）相互调换，其中一种钝口螈（虎纹钝口螈）的体型较大，另一种钝口螈（斑点钝口螈）的体型较
小。实验的细节不尽相同，但总而言之，无论肢体是否被移植到其他物种身上，它们的大小都不会改变。换句话说，早在四肢开始发育之前，被移植的细胞就“知道”肢体应该长多大。8哈里森把这种特性称作移植物的“生长潜力”，它反映了移植细胞的一种内在属性。尽管如此，也有其他实验发现了能够影响移植物发育的外在因素（比如宿主的营养状况）。可见尺寸的调控是又一个先天因素和后天因素携手合作的例子。引自 第6章 请指点我，拜托了！ 当然，我只是讲了一点儿皮毛。尽管引导发育过程的分子信息算不上特别多（转录因子和信号分子的数量总共不过数百），但细胞真正在意的是这些指令的叠加效应。因为分子信息的每一种组合方式都具有独特的意义，所以细胞必须在茫茫数万亿可能性中不断地探寻找到自己应该在细胞社会里扮演的那个角色。因此，作为一个研究领域，发育生物学正在经历变迁：从只关注单一的基因和单一的信号通路，转变为考虑基因组成的网络和蛋白质的“互动组学”，牵一发而面动全身的连锁效应是后者的突出特点。从更整体的视角看待细胞、组织和器官，这个领域被称为“系统生物学”，它要靠大量的计算机和数学建模来模拟单个细胞的处理能力。如果读到这里，你发现自己对所有这些过程如何被整合到一起一
换句话说，所有这些几乎如同魔法一般的化学反应如何维持生命的存续
一感到好奇，那么你就已经踏人我们目前已有的认知领域，超越这个范畴的任何认识都有赖于新的发现。
除了依然没有头绪的那些奥秘，有一件事已经非常清楚了：胚胎发育是研究人类疾病的重要窗口。
刺激成纤维细胞生长的胚胎信号既能让组织变得结实，也能引起成年人的纤维变性，还能在器官衰竭后
进瘢痕组织的生成。一个合子能够分裂成新生儿身上的数十亿个细胞，同样是这种强大的分裂能力，如果在不恰当的情况下被激活，就会导致癌症。调节细胞程序性死亡的基因可能引起形形色色的疾病，比如神经退行性变性疾病、心脏病和自身免疫病。到头来，细胞这些事凡的能力既是我们的福气，也是我们的灾祸：大自然总是用与构造身体如出一辙的手法来摧毁身体。
发育生物学是一种记叙性研究，正因为如此，它并不需要论证研究的实用价值。如果非要为研究胚胎找一个正当的理由，那么就是：通过研究发育的过程而获得的医学知识极具实用意义，无一侧外。虽然远远不够完善，但我们对发育机制的认识已经足够让它们有用武之绝了。针对胚胎的研究兼具基础研究的美感和应用科学的实用性。这也正是它的魅力所在，接下来，我将对这两个特点做更为深人的探讨。引自 第6章 请指点我，拜托了！
