第六章
分裂的细胞：细胞繁殖与体外受精诞生

不存在所谓的生殖……当两个人决定要孩子的时候，他们就参与了一种生产行为。

——安德鲁·所罗门 ，
《背离亲缘：父母、孩子与寻找身份的旅程》 [1]

细胞会分裂。

或许在细胞的生命周期中，最重要的事件就是它产生子细胞的瞬间。并非每个细胞都能进行繁殖：某些细胞，例如神经元，经历过了永久性或终末分裂 ，将永远不再进行分裂。但是反过来说并不成立：每个细胞都是其他细胞的产物，也就是一切细胞来源于细胞。正如法国生物学家弗朗索瓦·雅各布 曾经说过的那样：“每个细胞的梦想就是成为两个细胞。” [2] （当然，那些完全放弃了这个梦想的细胞除外。）

从概念上来讲，动物细胞分裂可大致分为两种目的或功能：生成与繁殖。我所说的生成是指创造新的细胞，用于生物体的构建、成长与修复。当皮肤细胞分裂以愈合伤口时，当T细胞分裂以产生免疫应答时，这些细胞就会开始产生新细胞，以生成组织或器官，或者实现某种功能。

但是，当精子或卵子在人体中生成时，则是完全不同的事情。它们生成是为了进行繁殖，即分裂产生的不是新功能或器官，而是新的生物体。

在人类与多细胞生物中，生成新细胞以构建器官和组织的过程被称为有丝分裂，其英文mitosis 来自希腊语单词mitos，意思是“丝线”。相比之下，为了繁殖目的生成新细胞、精子与卵子，以生成新生物体的过程被称为减数分裂，其英文meiosis来自希腊语单词meion，意思是“减少”。

发现有丝分裂的德国科学家是一位心灰意冷且不满现状的军医，他希望寻求生物学的新视野。瓦尔特·弗莱明 是一位精神病学家的儿子，他在19世纪60年代接受了医学培训。 [3] 与鲁道夫·菲尔绍一样，他也曾经就读于一所军事医学院，同样发现这门学科过于刻板僵化，于是他很快就转向研究细胞。人类以及所有多细胞生物均由细胞构成，然而，从一个细胞发展到数十亿个细胞并形成生物体的过程却非常神秘。19世纪70年代，弗莱明对于细胞解剖学产生了极大的兴趣，他开始用苯胺染料及其衍生物来染色组织，希望能够揭示出亚细胞结构。

起初，弗莱明能够观察到的内容很少。染料只显示出一种几乎完全位于细胞核内部的纤细丝状物，而细胞核是细胞内一种非常典型的被膜包裹的球形结构，最早由苏格兰植物学家罗伯特·布朗在19世纪30年代发现。

弗莱明在其同事威廉·冯·瓦尔代尔-哈尔茨 的影响下，将位于细胞核内的丝状物质命名为染色体，即“着色的结构”，而这是一个中性名称。他想知道它们在细胞分裂过程中的功能与变化。在好奇心的驱使下，弗莱明持续在显微镜下观察正在分裂的细胞。而观察并不等同于看见。看见，或者说真正的看见，需要洞见。其他科学家，例如冯·莫尔与雷马克，也曾观察过细胞的分裂，但是他们对于该过程的协同或分期知之甚少。弗莱明意识到，他们只是看到了细胞表面，而并未见到细胞内部的情况。弗莱明在1878年提出了一项关键性的洞见：它涉及使用蓝色染料对染色体着色，然后在显微镜下跟踪细胞分裂的整个过程，从而捕捉到细胞内染色体与细胞核的活动。

染色体的功能是什么？细胞核或其中的染色体与细胞分裂有何关系？他在1878年和1880年撰写的两篇论文中问道：“哪些力量在细胞分裂时发挥作用？细胞内可见的成形结构［细胞分裂过程中的细胞核与染色体］的位置变化是否遵循某种规律？如果是的话，规律是什么？” [4]

他发现这个规律的系统性非常惊人。 它被安排得就像军事演习一样精确。在蝾螈的幼虫中，在哺乳动物、两栖动物和鱼类的分裂细胞中，弗莱明发现了一种普遍存在于几乎所有生物中的细胞分裂节奏。这是一个令人振奋的结果：在他之前没有任何科学家能够想象到，如此多样的生物体细胞在分裂过程中会遵循一种几乎相同且井然有序的规律。

弗莱明发现，第一步是丝状的染色体凝聚成厚实的束状结构，而他将其称为“线团”。染料现在结合得很牢固；染色体在镜下闪闪发光，就像用深蓝染成的线卷。然后，凝聚的染色体沿着一条明确的轴线倍增分裂，形成的结构使弗莱明想起了两个爆裂的星体。他写道：“细胞核结构在分裂过程中逐渐组织形成了有序排列。” [5] 核膜发生溶解，核也随之分裂。最后，细胞本身分裂，细胞膜被分割，产生两个子细胞。

一旦它们进入子细胞，染色体就会逐渐解聚，恢复其纤细的“静止状态”，回到子细胞的细胞核里，仿佛逆转了细胞分裂过程。由于染色体在分裂时先翻倍后减半，因此子细胞中的染色体数量保持不变。先从46条变成92条，然后再减半为46条。弗莱明称其为同型或“保守性”细胞分裂：母细胞与子细胞最终拥有数量相同或恒定的染色体。 19世纪80年代到20世纪初期，生物学家特奥多尔·博韦里、奥斯卡·赫特维希与埃德蒙·威尔逊 为这个细胞分裂的初步概述增添了大量细节，并且深入研究了弗莱明最初描述的每个步骤。 [6]

弗莱明把该过程描绘成一个循环：丝状形态的染色体凝聚成线团，分裂完成后再恢复到静止状态。当细胞进入下一个分裂周期时，染色体将再次发生紧缩与膨胀，也就是凝聚、分裂与解聚的过程，仿佛生命气息在它们之中流动。

然而，必定存在一种不同的细胞分裂方式，可以用来实现生物体的繁殖过程。回想起来，我们很容易理解，此类形式的细胞分裂动力学与有丝分裂完全不同：而这是一个基本的数学问题。你们应该记得，在有丝分裂中，母细胞与子细胞最终拥有相同数量的染色体。假设开始时有46条染色体（人类细胞的染色体数量），接着染色体经过复制（变为92条），然后每个子细胞将获得一半：染色体数量重新恢复到46条。

但是这些数字在繁殖过程中有什么作用呢？如果精子与卵子的染色体数量与其母细胞相同，即46条，那么受精卵的染色体数量应该达到原来的两倍，即92条。这个数字在下一代会翻倍至184条，并且随后将再次倍增至368条，以此类推，染色体数量在代与代之间呈指数增长。很快，细胞将因为染色体数量过多而破裂。

因此，生成精子与卵子时必须首先将染色体数量减半，也就是精子和卵子各拥有23条染色体，然后在受精时恢复到46条。19世纪70年代中期，特奥多尔·博韦里与奥斯卡·赫特维希在海胆中观察到了这种染色体数量先减少再恢复的细胞分裂变异形式。1883年，比利时动物学家爱德华·凡·贝内登也在蠕虫中观察到减数分裂，从而证实了这一过程在结构更复杂的生物体中具有普遍性。

简而言之，多细胞生物的生命周期可以被重新理解为减数分裂与有丝分裂间相当简单的循环游戏。每个人类体细胞起初都有46条染色体，通过减数分裂在睾丸中生成精子细胞，或者在卵巢中生成卵子细胞，最终使每个细胞都能获得23条染色体。当精子与卵子相遇形成受精卵时，染色体的数量将恢复到46条。受精卵通过细胞分裂——有丝分裂——生成胚胎，然后它们逐渐发育出成熟的组织与器官：心脏、肺、血液、肾脏、大脑，并且每个细胞都有46条染色体。随着生物体的成熟，它最终发育出性腺（睾丸或卵巢），而每个细胞也都有46条染色体。在这里，游戏再次改变：当性腺中的细胞生成雄性与雌性生殖细胞时，它们会进行减数分裂，然后生成各自拥有23条染色体的精子与卵子。受精使染色体数量恢复到46条。受精卵就此诞生，循环再次启动。减数分裂，有丝分裂，减数分裂。减半，恢复，生长。减半，恢复，生长。无穷无尽。

是什么控制着细胞的分裂呢？弗莱明目睹了有丝分裂的系统阶段。然而，是谁，或者更确切地说，是什么决定了这些阶段呢？在弗莱明发表其关于细胞分裂的重要著作之后的数十年里，细胞生物学家注意到分裂细胞的生命周期可以分为几个阶段。

让我们从那些完全退出循环的细胞开始。它们永久或半永久地处于休眠状态，而用生物学术语来说就是“静止”状态。这个阶段现在被称为G 0 期，G 0 指的是“间期”或休眠期。事实上，其中一些细胞永远不会再分裂。它们已完成了有丝分裂过程。大多数成熟的神经元就是很好的例子。

当细胞决定进入分裂周期的时候，它就来到了被称为G 1 期的新间期。细胞仿佛在试探细胞分裂的水域，同时仔细思考着自己做出的决定。在G 1 期内，显微镜下几乎观察不到任何明显变化，但从分子层面上来看，这个G 1 期具有非常重要的意义：协调细胞分裂的蛋白质被合成；线粒体被复制；细胞聚集分子，召唤与合成对新陈代谢和维持生命至关重要的分子，并且在将它们分配给两个子细胞之前增加其数量。G 1 期也是细胞决定是否承担细胞分裂这项重任的首个关键检查点。想要继续前进还是就此停留？如果某些营养物质缺乏，或者激素环境并不适合，细胞可能会选择留在G 1 期。这是无路可退前的关键时刻。

G 1 期之后是一个与众不同的阶段，其中包括染色体的复制，因此涉及新DNA的合成。它需要能量、承诺以及重心的巨大调整。它被称为S期，来自单词合成（synthesis），指的是复制染色体的合成。如果你能够生活在细胞内部，像前述那样在原生质中游动，你或许会感觉到，细胞活动的中心从细胞质转向了细胞核。DNA复制酶附着在染色体上。而其他酶则开始解旋DNA。然后，DNA的构件被运送到细胞核。一组复杂的DNA复制酶沿着染色体串联合成复制拷贝。同时细胞内会形成一个将复制的染色体分开的装置。

第三阶段可能是最神秘与最费解的间期：这是被称为G 2 期的另一个休眠期。为什么细胞一旦合成复制染色体就要停止分裂？为什么要浪费新合成的DNA链呢？G 2 期之所以作为细胞分裂前的最后一个检查点而存在，是因为细胞无法承受易位、DNA断裂、极端突变与缺失等染色体灾难。这是细胞检查并仔细核对DNA复制保真度的时刻，为的是防范DNA受到损伤或者染色体发生毁灭性事件。受到DNA损伤辐射或化疗影响的细胞，可能会在这个阶段停止分裂的进程。包括p53肿瘤抑制因子 [7] 在内的被称为“基因组守护者”的蛋白质，会对基因组和细胞不断进行扫描，以确保其在生成新细胞之前的健康。 ^[1]

最后一个阶段是M期，即有丝分裂本身的阶段，细胞分裂成两个子细胞。核膜发生溶解。即将分离的染色体进一步紧缩，成为弗莱明用染料着色的那种致密结构。分离复制染色体的分子装置已经组装完毕。此时，复制的染色体并排而卧，就像婴儿床中的双胞胎，它们彼此开始分开，直到一半占据细胞一侧，而另一半被牵拉到对侧。细胞之间出现一道凹陷，其中的细胞质也被减半。母细胞生成两个子细胞。

2017年，我在一次穿越荷兰平原的汽车旅行中遇到了保罗·纳斯 。他是一位带有英式口音与开朗笑容的矮个男士，让我联想起了年长且睿智的比尔博·巴金斯 。我们当时都要去乌得勒支的威廉敏娜儿童医院做演讲，因此我们一起乘车从阿姆斯特丹来到校园。纳斯是一位友好、谦逊、善良的科学家，而我对这种类型的人立刻就有了好感。我们周围的景观平坦而单调：干燥的耕地上到处遍布着干草与秸秆，点缀着几架偶尔随风循环转动的风车。

循环。风的起伏代表能量转换，驱动着机器的循环。分裂的细胞是否也是这样的机器，在循环往复中进行着分裂与休眠？当纳斯在爱丁堡做博士后时，他开始思考细胞周期的协调问题。哪些因素决定细胞是否分裂或何时分裂？在19世纪70年代和80年代，弗莱明与博韦里等人已经观察到细胞分裂的不同阶段。问题是：哪些分子与信号在掌控并调节这些阶段？细胞是怎么“知道”何时从G 1 期进入S期的呢？

纳斯来自一个工人阶级家庭。“我的父亲是一名蓝领工人，”他在2014年对一位记者说，“我的母亲是一名清洁工。我的兄弟姐妹都在15岁时辍学。我跟他们完全不同。我通过了各项考试，不知怎么进了大学，不仅获得了奖学金，还取得了博士学位。” [8] 大学毕业数十年后，纳斯才知道他的“姐姐”实际上是其母亲。作为一名非婚生子，纳斯由祖母抚养成人，直到多年后他五十多岁的时候，纳斯才知晓了这个秘密安排，原来是祖母在扮演母亲的角色。当我们接近乌得勒支时，他非常平静地给我讲述了这个故事。纳斯眨了眨眼睛。“繁殖过程从来没有看起来那么简单。”他一本正经地补充道。

纳斯在爱丁堡大学的导师默多克·米奇森 一直在研究名为裂殖酵母的特定菌株的细胞周期，裂殖酵母之所以得名“裂殖”，是因为它们的繁殖方式类似于人类细胞，是从中间分裂的。酵母细胞更常见的分裂方式是“出芽”，而这是一种子细胞以小芽形式分裂的过程。

在20世纪80年代，纳斯开始制备无法正常分裂的酵母菌突变体。在将近5000英里（1英里≈1.6千米）之外的西雅图，细胞生物学家李·哈特韦尔 采取了类似的策略：他也打算通过在另一种菌株（出芽型面包酵母）中制备突变体，来寻找影响细胞周期与细胞分裂的基因。

哈特韦尔与纳斯都希望这些突变体能够引导他们发现控制细胞分裂的正常基因。这是一种非常经典的生物学研究方法：通过干扰生理功能来揭示正常的生理过程。解剖学家可能会切断或结扎动物的动脉，然后追踪身体中那些失去血液灌注的部位，从而了解动脉的功能。遗传学家可能会借助基因突变的手段，来干扰例如细胞分裂这样的遗传过程，以发现支配有丝分裂的功能性主控因子。

1982年夏季，来自剑桥大学的细胞生物学家蒂姆·亨特 前往马萨诸塞州伍兹霍尔的海洋生物学实验室教授胚胎学课程，该实验室位于风景优美的科德角。游客们穿着印有鲸鱼图案的短裤与亚麻衬衫来到科德角，一边品尝着炸蛤蜊，一边在广阔的沙滩上悠闲地晒太阳。而科学家们来到浅滩上由岩石环绕的潮汐池，不仅是为了寻找蛤蜊，更多是为了捕捉海胆。

特别是海胆卵提供了一种宝贵的资源，因为它们体积较大，且易于用作实验模型。给一只雌性海胆注射某种简单盐溶液，它就会迅速释放出大量橙色的海胆卵。只要使用雄性海胆的精子使卵子受精，那么这些海胆的受精卵就会开始发育，并且按照时钟般的节律进行细胞分裂，最终形成一个新的多细胞动物。从19世纪70年代的弗莱明，到20世纪初期的胚胎学家欧内斯特·埃弗里特·贾斯特 ，再到20世纪80年代的亨特，科学家们一直在利用这些带有性感肉舌的带刺球状生物（谁会想吃掉它们？），将其当作研究受精、细胞分裂和胚胎学的模型系统。就像果蝇对早期遗传学多有贡献一样，海胆对细胞周期的研究也非常重要。

亨特希望研究受精后蛋白质合成的调控机制，但是这项工作令人沮丧，举步维艰。他写道：“到1982年，海胆卵中蛋白质合成的调控研究几乎停滞；我与学生们测试的每个想法都被证明有误，同时整个系统的基础也存在本质上的缺陷。” [9]

然而，1982年7月22日暮色降临时，亨特注意到了一个与众不同的现象：就在海胆受精卵细胞开始分裂前的10分钟，一种含量丰富的蛋白质会达到浓度的峰值，然后消失。该现象呈现出一种节奏与规律，仿佛风车的叶片在精准地旋转。当晚的研讨会后是品鉴美酒与奶酪的时光，他了解到，包括哈佛大学的马克·克什纳 在内的其他科学家，也一直纠结于细胞在精子与卵子的生成过程中，或者说在减数分裂中，如何实现各个阶段的过渡。蛋白质浓度增减可能预示分期转换的想法令亨特十分着迷。他可能还没喝完手中那杯酒就回到了实验室。

在接下来的十年里，亨特每年回科德角都会带上一个装满实验用具的手提箱，其中包括“试管、吸头、凝胶板，甚至还有一台蠕动泵” [10] ，他试图通过研究破译使细胞周期发生转换的机制。到了1986年冬季，亨特与他的学生们已经发现了更多这样的蛋白质，它们随着有丝分裂细胞周期的不同阶段精准增减。其中一种蛋白质的峰值与峰谷可能与S期（染色体复制阶段）完美同步。另一种蛋白质的升降可能与G 2 期（细胞分裂发生前的第二个检查点）同步。因为亨特是自行车运动（cycling）爱好者，所以他将这些蛋白质称为“细胞周期蛋白”（Cyclin）。亨特很快就意识到自己给它们起了一个合适的名字：这些蛋白质似乎与细胞分裂周期的各个阶段超然协调。于是这个名字流传了下来。

与此同时，纳斯与哈特韦尔使用了酵母细胞研究中的突变体狩猎法 ，从而逐渐揭示出细胞周期控制基因。此外，他们也发现了几个与细胞分裂不同阶段有关的基因。在20世纪80年代末期，他们将其命名为cdc基因，后来又更名为cdk基因。 而这些基因编码的蛋白质被称为CDK。

然而，在这些独立的发现中存在着一个令人不安的谜团。尽管他们研究的问题有明显的共性，但是除了一个引人注目的例外，他们并没有发现相同的蛋白质：纳斯在研究时所采用的突变体之一，实际上来自类似细胞周期蛋白的基因。

为什么？为什么亨特在寻找细胞周期调节因子的过程中发现了细胞周期蛋白？为什么哈特韦尔与纳斯发现了一组（大部分）不同的协调细胞分裂的蛋白质？这就像两组数学家解决了同一个方程，却得出了两个不同的答案一样，尽管如此，至少在研究方法上，两者似乎都是正确的。简而言之，Cyclin与CDK有什么关系？

20世纪80年代和90年代，亨特、哈特韦尔和纳斯与各路研究团队合作，在全部观察结果中发现了一个综合性的结论，从根本上阐明了Cyclin与CDK在细胞周期中的作用。两种蛋白质相互协同以调控细胞分裂各个阶段的转换。它们是伙伴与搭档，在功能、基因、生化、物理上密不可分。它们是细胞分裂的阴阳两面。

我们现在知道，特定的Cyclin将与特定的CDK结合并将其激活。这种激活会转而引发细胞内一系列分子事件的级联反应，它们就像弹珠一样从一个激活的分子跳跃到另一个分子，最终“指挥”细胞完成细胞周期前后阶段之间的转换。亨特已经解决了一半的谜题，纳斯与哈特韦尔则解决了另一半。或者，以图解形式表示：

正如纳斯在前往乌得勒支的路上告诉我的那样：“我们只是从两个不同的角度来观察同一件事。如果你退后一步，其实就是一回事。就好像我们捕捉到同一个物体的两个不同影像。” [11] 风车在我们周围旋转，完成了另一个循环。

虽然Cyclin与CDK可以共同协作发挥作用，但不同的组合会发出不同的转换信号。特定的Cyclin-CDK组合可能充当从G 2 期到M期的主控因子。Cyclin激活CDK，然后CDK激活更多的蛋白质来促进转换。当Cyclin被降解时，CDK的活性停止，细胞等待下一个阶段的信号。

另一种Cyclin-CDK组合调节着从G 1 期到S期的转换。尽管其他数十种蛋白质也参与细胞分裂的协调，但是Cyclin与其同源CDK之间的密切联系不可或缺：它们是细胞周期调控中的伙伴，是弗莱明在近一个世纪前观察到的管弦乐队的核心指挥。

我们对于细胞周期和细胞分裂动态的理解，几乎改变了医学或生物学领域的各个方面。导致癌细胞分裂的原因是什么，我们能否找到专门阻止这种恶性分裂的药物？ 造血干细胞在某些情况下如何产生自己的拷贝（称为“自我更新”），在另一些情况下如何产生成熟的血细胞（“分化”）？胚胎是如何从单个细胞中发育而来的？2001年，由于他们在阐明细胞控制分裂机制方面做出的重大贡献，哈特韦尔、亨特与纳斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

在医学领域中，与细胞分裂（有丝分裂与减数分裂）在概念上最为接近的实践，或许就是人工或医学辅助的人类生殖或者说体外受精（IVF）了。（“人工”这个词在这里似乎有些奇怪。难道整个医学领域不都是“人类创造的”吗？我们是否应该把使用抗生素治疗肺炎称为“人工免疫”，或者将婴儿娩出称为“胎儿的人工外化”？因此，我将使用“医学辅助”生殖这一表述，尽管“人工生殖”是更通俗的用语。）

让我们从一个对于细胞治疗专家来说显而易见，但会让该领域的外行震惊的事实开始：体外受精就是细胞治疗。实际上，它是人类使用最广泛的细胞疗法之一。体外受精在过去的四十多年间一直是一种生殖选择，已有八百万到一千万名婴儿通过这种方法诞生。许多这些体外受精婴儿如今已经成年并做了父母，他们通常是自然生育而无须再进行体外受精。我们对这种技术已经非常熟悉，因此根本没有将其视为细胞医学，尽管事实上体外受精的确如此：通过治疗性地操控人体细胞，来改善一种古老而痛苦的人类疾病——不孕症。

这项技术的诞生并不顺利；事实上，它几乎因为早产而夭折。尽管伴随其产生的科学敌意、个人竞争、公众异议，甚至是医学异议，在很大程度上都被体外受精技术的成功所掩盖，但这项技术的诞生确实充满了激烈的动荡与争论。

20世纪50年代中期，哥伦比亚大学有一位特立独行且行事神秘的妇产科教授兰德勒姆·谢特尔斯 ，他发起了一个创造体外受精人类婴儿的项目。 [12] 他想治愈不孕症。谢特尔斯有七个孩子，但是他很少回家休息。他的实验室里摆放着一个长满青苔的巨大鱼缸和一排时钟。他睡在一张临时搭建的小床上，耳边时刻传来时钟嘀嗒的声音。住院医师们经常会在深夜里看到他穿着皱巴巴的绿色刷手衣在大厅游荡。

起初，谢特尔斯在培养皿与试管中进行实验。他从女性供体那里采集了人类卵子，然后再使用人类精子使它们受精，而且设法让原始胚胎存活了六天。他经常发表文章并因此获得多个奖项，其中就包括哥伦比亚大学的马克尔奖 。 [13]

但是随后他的职业生涯出现了奇怪的转折。1973年，谢特尔斯同意帮助佛罗里达州的一对夫妇约翰·德尔·齐奥与多丽丝·德尔·齐奥怀孕。谢特尔斯没有向医院的监管或实验委员会报告，这项工作已经从培养皿中的受精延伸到胚胎植入。此外，他也没有将此事通知产科主任。

1973年9月12日，纽约大学医院的一位妇科医生从多丽丝体内采集了卵子。约翰携带着卵子与他的一小瓶精液，乘坐出租车前往谢特尔斯的实验室。我估计这条经过上城区的路线大约需要一个小时，可能是纽约历史上最紧张的出租车行程之一。

就在此时，谢特尔斯医生的上级得知了这项实验，勃然大怒。将在体外创造的人类胚胎（试管婴儿）植入真正的子宫闻所未闻，这种做法所带来的医学与伦理影响根本无法预测。当然下面这个故事可能是虚构的，讲的是他的上级闯入了实验室，砸开装有受精卵的培养箱，然后破坏了这些实验材料。德尔·齐奥夫妇向医院提起诉讼，并赢得5万美元的精神损害赔偿。

不出所料，联想到他的鱼缸、小床、时钟与午夜穿着绿色刷手衣游荡的行为，谢特尔斯快被其所在的部门解雇并被赶出了大学。他搬到了佛蒙特州的一家诊所，但是其另类的举止又给他惹了麻烦，最后，他在拉斯维加斯有了自己的诊所，谢特尔斯在那里承诺要继续其梦想，通过体外受精技术来生育人类婴儿。

与此同时，罗伯特·爱德华兹与帕特里克·斯特普托 这两位科学家，也在英国尝试进行体外受精技术的研究。跟谢特尔斯不同的是，他们十分清楚在玻璃瓶中培育人类胚胎所涉及的科学与道德问题。他们一丝不苟地撰写各种方案与论文，并在会议上展示他们取得的研究成果，还将其意向告知医院委员会与相关部门。他们有条不紊地开展工作，颠覆了一个又一个传统观念。虽然他们是特立独行者，但用科学史学家玛格丽特·马什 的话说，他们是“谨慎的特立独行者” [14] 。

爱德华兹的父亲是一名铁路工人，母亲是一名铣床机工，他自己是一名遗传学家与生理学家，对细胞分裂与染色体异常感兴趣。 [15] 其职业生涯因“二战”期间在英国军队服役四年以及攻读动物学本科学位而暂时中断，爱德华兹后来将该过程描述为“一场灾难。我的奖学金花光了，还欠了一屁股债。与一些学生不同，我的父母并不富裕……我不能写信跟家里说‘亲爱的爸爸，请给我寄100英镑，因为我考得很差’”。 [16]

然而，爱德华兹最终在爱丁堡大学找到了一个研究动物遗传学的职位，从此他的兴趣转向生殖领域。他进行了小鼠精子的实验，接着又投入对卵子的研究。通过与妻子露丝·福勒 这位才华出众的动物学家合作，爱德华兹证实，给小鼠注射促排卵激素可以产生数十个处于生命周期相似阶段的卵子，因此原则上可以在培养皿中进行采集与体外受精。1963年，爱德华兹在经历了多所大学的漂泊生涯后，来到剑桥大学研究人类卵细胞的成熟问题。爱德华兹、露丝以及他们的五个女儿住进了巴顿路附近高夫道上的一栋简陋房屋，在生理学实验室楼上找了个地方开展工作，而这是一个由七个供暖不良的房间组成的迷宫。

当时的生殖生物学领域，尤其是对卵子和精子成熟与细胞周期之间的联系的研究，还处于起步阶段。蒂姆·亨特的海胆研究为阐明细胞周期奠定了基础，但是距离其发表还有数十年的时间，而让保罗·纳斯与李·哈特韦尔成名的细胞分裂基因还没有被发现。

爱德华兹了解哈佛大学科学家约翰·罗克与米里娅姆·门金 的研究，他们在20世纪40年代中期从接受妇科手术的女性身上提取了近800个卵子，并且试图用人类精子使这些卵子受精。 [17] 然而结果极不稳定。门金在一篇期刊文章中写道，他们已经无数次尝试在体外进行人类卵子受精。但是这个项目的复杂程度远超罗克与门金的预期；在通常情况下，卵子无法受精。

1951年，马萨诸塞州伍斯特研究所的一位名气不大的生殖学家张明觉 意识到，精子，而不仅仅是卵子，可能同样对于体外受精的成功发挥了重要作用。 [18] 根据对兔子的研究，他提出精子细胞必须被激活，也就是经过他称之为“获能”的过程，然后才能使卵子受精。张明觉推断，这种获能是通过将精子暴露在女性输卵管中的特定条件下与化学物质中实现的。

爱德华兹在位于伦敦米尔希尔的英国国家医学研究所图书馆静默虔诚地坐了几个月，专注地审视着所有这些之前完成的实验。尽管这就像是在研究一系列失败的案例，但他想再次尝试于体外使人类卵子受精。最初，他与埃奇韦尔总医院的妇科医生莫莉·罗斯合作，通过促使卵子“成熟”让它们对受精做好准备。但与兔子和老鼠的卵子不同，人类的卵子无法在体外成熟。他写道：“3小时、6小时、9小时、12小时，它们中没有一个的外观发生了任何改变。它们凝视着我。这些卵子似乎根本无法穿透。” [19]

然后，在1963年的一个早晨，爱德华兹突然有了一个重要的想法，而其中蕴含的道理既简单又深刻。他想，会不会是“人类等灵长类动物卵子的成熟过程要比啮齿类动物长”。 [20] 爱德华兹再次从罗斯那里获得了一小批卵子并使其成熟，但是这次他选择了等待。

“我不能太早看它们，”他写道，并责备自己的急躁，“整整18小时后，我看了一眼，唉，细胞核没有任何变化，完全没有成熟的迹象。” [21] 又失败了。如今培养皿里只剩下两颗卵子，它们仿佛镇定自若地盯着爱德华兹。到了24小时后，爱德华兹取出一颗卵子，他认为已经发现了微弱的成熟迹象：细胞核里的某些东西正在发生变化。

如今还剩下一颗卵子。

到了28小时后，他取出最后一颗卵子并将其染色。

“难以置信的兴奋，”他写道，“染色体刚刚开始穿过卵子的中心。” [22] 卵子细胞已经成熟，它时刻准备好受精。“在最后这批卵子中的一颗里，蕴藏着人类计划的全部秘密。”

那么，其中的道理是什么呢？我们不会像兔子一样繁殖。我们的卵子需要更多诱导。

爱德华兹孤独的十年即将走向终点。但他还必须面对另一个复杂的难题：罗斯提供的卵子来自接受大型妇科手术的女性，因此它们很可能并不适合进行体外受精。总之，虽然这些卵子作为实验材料最为便利，但来自罗斯手术的卵子最不适合再植入。为了完成他的实验，爱德华兹需要其他来源的人类卵子。

这些卵子来自帕特里克·斯特普托医生的患者：上述患有卵巢疾病的女性同意捐赠卵子。斯特普托是一位产科顾问医生，在曼彻斯特附近的奥尔德姆总医院工作，奥尔德姆是一座日渐衰落、雾气弥漫的纺织制造业城镇。他对于卵巢腹腔镜手术特别感兴趣，这是一种需要通过下腹部小切口插入软镜，然后对卵巢及其周围组织进行操作的手术。这种微创技术经常遭到妇科医生的嘲笑，因为他们认为与侵入性的开放手术相比，此项技术不够精准。在一次医学会议上，一位著名的妇科医生站起来傲慢地宣称：“腹腔镜手术毫无用处。根本不可能看到卵巢。” [23] 温文尔雅且沉默寡言的斯特普托，不得不站起来为自己的做法辩护。他回答道：“［你］完全错了。整个腹腔都能检查到。”

罗伯特·爱德华兹恰好也在会议现场。尽管妇科医生对斯特普托不屑一顾，但爱德华兹的耳朵却立刻竖了起来，因为他意识到，腹腔镜提取对于他的成功至关重要。与他之前通过侵入性手术获得的卵子不同，腹腔镜提取将使女性更容易接受这项操作，尤其是那些希望将受精卵再植入子宫的女性。

当观众在演讲结束后争吵不休时，爱德华兹慢步走向大厅里的斯特普托。

“您是帕特里克·斯特普托医生吗？”他轻声问道。

“是的。”

“我是鲍勃·爱德华兹 。”

他们交换了关于体外受精的成果和观点。1968年4月1日，爱德华兹前往奥尔德姆与斯特普托会面。他们拟订了一项实验计划，斯特普托同意通过其腹腔镜手术为爱德华兹的研究提供一些人类卵子。尽管从剑桥到奥尔德姆需要整整五个小时，但是这并没有让他们中的任何一人动摇。携带卵子往返于斯特普托的诊所与爱德华兹的实验室，可能需要花上将近一天的时间来乘坐缓慢行驶的火车，徐徐穿过烟雾缭绕且潮湿多雨的兰开夏郡城镇。实验方案看似简单，细节却很复杂。哪种培养液可以保持卵子与精子的活力？卵子采集后多少个小时应该引入精子？受精卵要经过多少次细胞分裂才能在人体中存活？以及人们如何知道应该挑选哪个胚胎呢？

爱德华兹从剑桥大学的同事巴里·巴维斯特博士 那里得知，如果能够增加溶液的碱性，那么受精率就会大幅提升；这是困扰张明觉的精子获能的部分原因。爱德华兹掌握了活化精子的其他技巧。此外，他还学会了使卵子在培养基中成熟，待卵子成熟之时再加入精子。尽管仍有一些比例有待确定，例如每个卵子需要多少个精子，以及培养胚胎溶液的具体成分，但是经过逐步努力，爱德华兹与斯特普托解决了体外受精的问题。1968年冬末的一个下午，与爱德华兹一起工作的科学家兼护士吉恩·珀迪 完成了一项至关重要的实验。 [24] 她写道：“在加入了一些巴里［巴维斯特］的液体后，这些卵子在混合培养基中很快就成熟了……36个小时后，我们判断它们已经准备好受精。”

当天晚上，巴维斯特与爱德华兹驱车前往医院，然后开始在显微镜下研究培养物。一个令人敬畏的事件正在镜头下展现：这是人类生命孕育的第一步。根据珀迪的描述：“一个精子刚刚进入第一个卵子，一个小时后，我们观察到了第二个卵子。是的，这就是受精过程的最初阶段。毫无疑问，一个精子进入了卵子，我们做到了……我们还检查了其他卵子，并发现了越来越多的证据。其中有些卵子仍处于受精的早期阶段，精子尾巴随着精子头部进入卵子深处；另一些卵子的发育阶段更为成熟，它们拥有两个细胞核，一个来自精子，一个来自卵子，因为每个［精子与卵子细胞］都向胚胎贡献了其遗传成分。” [25] 他们已经实现了体外受精。

1969年，爱德华兹、斯特普托与巴维斯特的论文《体外成熟的人类卵母细胞的体外受精早期阶段》（简称《体外受精早期阶段》）发表在《自然》杂志上。 [26] 令人遗憾的是，完成这项实验的吉恩·珀迪并没有得到认可，而这符合将女性排除在科学之外的传统做法。此后，爱德华兹与斯特普托多次尝试为她正名，因为试管婴儿的诞生得益于珀迪的贡献。在实验室里，她创造了第一个通过试管婴儿产生的人类胚胎；在医院里，她曾经亲自照护过第一例试管婴儿。1985年，39岁的珀迪因为黑色素瘤去世，从未完全获得应有的科学认可。

这项研究几乎立刻在公众、科学界与医学界引发了轩然大波。各种攻击从四面八方蜂拥而至。有些妇科医生认为不孕症并非一种疾病。他们坚称，既然生育不是健康的必要条件，那为何将其缺失定义为“疾病”呢？正如一位历史学家所述：“或许现在很难理解，当时英国大多数妇科医生对于不孕症完全没有概念，而他们中的斯特普托医生是一个另类……人口过剩与计划生育被视为主要问题，不孕症患者经常被忽视，至多被当作弱小且无关的少数群体，甚至被看成对人口控制的积极贡献。” [27] 在英国和美国，大部分妇科研究都集中在避孕上，也就是以减少出生婴儿的数量为目的。在美国，有一篇科学论文指出：“从1965年到1969年，关于避孕技术的研究增加了6倍多，私人慈善资金的投入则增加了30倍。” [28]

宗教团体转而指出了人类胚胎的特殊地位：将在实验室培养皿中生成的胚胎植入人体，就是违反了人类繁衍最不可侵犯的“自然”法则。伦理学家对于20世纪40年代纳粹实验的遗留问题高度警觉，人类在当时被迫承担的可怕风险所带来的获益其实极少。如果采用这种方法生下的婴儿或者怀有这些婴儿的母亲最终会承担未知的风险，又该如何？

在《体外受精早期阶段》一文发表近十年后，医学界才相信不孕症实际上是一种“疾病”。20世纪70年代中期，他们与产科医生和实验室技术人员合作，首次尝试通过体外受精技术孕育活婴的工作。

1977年11月10日，一小团活胚胎细胞簇（约为米粒的二十五分之一）被植入莱斯利·布朗 的子宫。 [29] 这位当时30岁的英国女性与她的丈夫约翰，在经过9年自然受孕的尝试后仍未成功。莱斯利的输卵管发生了堵塞，尽管她的卵子在功能上正常，但在从卵巢到输卵管或子宫受精部位运动时遭遇了解剖障碍。在奥尔德姆综合医院进行的手术中，莱斯利的卵子被直接从卵巢中采集，按照爱德华兹与珀迪的方案进行催熟，然后再用约翰的精子进行受精。珀迪是首位观察到胚胎细胞开始分裂时伴有微小颤动的人，仿佛玻璃瓶中的细胞胎动。

大约9个月后，也就是1978年7月25日，医院的手术室里挤满了人，有研究人员、医生与一批政府官员。接近午夜时分，产科医生约翰·韦伯斯特 通过剖宫产接生了一名女婴。这次手术是在绝对保密的情况下完成的。斯特普托最初宣布婴儿将在第二天早上分娩，但是在前一天晚上又悄悄地将时间改为午夜，部分是为了瞒过在医院外聚集的记者。当晚早些时候，他开着自己的白色奔驰车驶离了医院，其实这是一个经过周密策划的烟幕弹，目的是让记者们相信团队正在准备下班。然而他却在夜幕降临时偷偷溜了回来。

分娩过程非常顺利。“［婴儿］根本不需要复苏，为她做检查的儿科医生也没有发现任何缺陷，”韦伯斯特回忆道，“我们都多少有些担心，如果碰巧她出生时有腭裂或其他我们无法事先发现的小缺陷……那么就会彻底扼杀这项研究，因为人们会说这是［体外受精］技术的问题。” [30] 每一个指甲、每一根睫毛、每一个脚趾、每一个关节、每一寸皮肤都受到仔细检查。这个宝贝像天使一样完美。

韦伯斯特说，没人进行“疯狂的庆祝”。分娩结束后，这位产科医生上床安静地睡了一晚。“我感觉真的很累，”他回忆道，“我只是回到自己住的房子吃了点晚餐。我想橱柜里连酒都没有。” [31]

这名婴儿被命名为路易丝·布朗。她的中间名是乔伊。

第二天早上，路易丝出生的消息在媒体上引起轰动。在接下来的一周里，医院里挤满了拿着闪光灯与笔记本的记者，他们使尽浑身解数想拍摄这母女俩的照片。路易丝·布朗被称为“试管婴儿”，这是一个匪夷所思的术语，因为受精过程中几乎不用试管。 [32] （实际孕育她的那个大玻璃瓶在伦敦科学博物馆展出。）她的出生激发了一场愤怒、庆祝、解脱与自豪的海啸。在一封寄给《时代》周刊的讨伐檄文中，一位来自密歇根州的女性义愤填膺地写道：“布朗夫妇……贬损了孩子的尊严并将其作为物化对象，因为这种行为，而不是由于他们进行医学辅助生育的行为，布朗夫妇应该被视为西方道德堕落的象征。” [33] 一个匿名的美国包裹寄到布朗夫妇在布里斯托尔的家，里面装着一支喷溅有令人毛骨悚然的假血的破碎试管。

然而，其他人则称她为奇迹天使。7月31日的《时代》周刊封面借用了《创造亚当》的著名细节 [34] ，这幅米开朗琪罗的画作绘制在西斯廷教堂的天顶上，其中上帝的手指即将触碰亚当的手指。只是在杂志封面上，两根手指之间悬挂着一支试管，并且里面还有一张胚胎的图像：正是在子宫内的路易丝·布朗。对于那些一直无法生育的男女来说，这一突破性技术带来了非凡的希望：至少对于那些仍有活性精子与卵子的人来说，不孕症已经被治愈。

我写作本书时，路易丝·乔伊·布朗已经43岁了。她有着母亲柔和圆润的五官，父亲开朗的笑容与金褐色的头发，曾经的一头卷发，如今变得笔直而金黄。她在一家货运公司工作，住在布里斯托尔附近。当她4岁的时候，她被告知自己的“出生方式与其他人略有不同” [35] 。而这句话可能是科学史上最重要的轻描淡写之一。

2010年，罗伯特·爱德华兹因其贡献获得了诺贝尔奖。令人遗憾的是，比爱德华兹大12岁的斯特普托已于1988年故去。兰德勒姆·谢特尔斯于2003年在拉斯维加斯去世，他直到最后还坚持认为，如果他的努力没有被其上级的教条主义所扼杀，那么他本可以成为首位开发试管婴儿技术的人。

这本书讲述的是细胞与医学的转化。虽然体外受精可能是医学中最常用的细胞疗法之一，但是在其历史上的一个特殊之处必须得到正视：这项技术源自生殖生物学与产科学的多重突破，与细胞生物学的进展无关。

虽然路易丝·布朗的诞生标志着生殖医学的复兴，但体外受精技术并未充分利用细胞生物学的最新进展。即便是爱德华兹本人，他起初对生殖学的兴趣也是由于发现卵子成熟过程中异常的染色体分裂（他在1962年发表的一篇科学论文题为《成年哺乳动物卵巢卵母细胞的减数分裂》 [36] ），20世纪80年代，纳斯、哈特韦尔与亨特带来关于细胞周期、染色体分离以及减数分裂和有丝分裂分子调控的洞见，在那之后，爱德华兹几乎没有再对这些内容进行过研究。更奇怪的是，亨特是他在剑桥大学的同事，而纳斯则距离他不到50英里。尽管体外受精和胚胎发育与细胞生理学密切相关，例如细胞分裂的动力学、精子与卵子的产生、受精卵的有丝分裂阶段等，但是在实际研究中，细胞生理学仍处于体外受精这个领域的视野边缘。

简而言之，体外受精主要被视为一种激素干预后的产科过程。卵子与精子被提取并注入，然后一个人类婴儿就诞生了。介于它们两者之间的实验室，即受精发生与胚胎成熟的地方，仅仅是整个链条中的一个环节。培养箱实际上是一个黑箱，只不过它的内部潮湿且温暖。而如何使卵子或精子更具活力，或如何选择最佳胚胎进行植入，这两个问题都与细胞生物学、染色体和细胞评估密切相关，但是它们依然悬而未决且没有明确的答案。

然而，纳斯、哈特韦尔与亨特的洞见终于开始进入这个领域并使其转化。如今越来越明显的是，只有理解细胞复制，才能解答困扰人类生殖的问题，而这让人又想起鲁道夫·菲尔绍一切疾病来源于细胞的观点。因此，体外受精领域开始学习Cyclin与CDK的术语。例如，为什么尽管已经对卵巢进行了激素刺激，但有时仍然很难从某些女性体内采集卵子？2016年，一组研究人员证实了纳斯、哈特韦尔与亨特所发现的分子，也就是Cyclin与CDK也参与其中。只要CDK-1与Cyclin这种组合在卵细胞中保持失活，那么细胞就会处于休眠，即静止状态，或G 0 阶段。释放并激活这些分子，卵细胞就会开始成熟 [37] 。如果卵子“过早”成熟，它们就会逐渐丧失活力。即使在接受激素刺激的情况下，它们也可能在早期阶段被耗尽。在这种情况下，动物无法受孕。

有趣的是，这种从静止状态（或细胞“休眠”）中释放，以及随之而来的过早成熟，可以被一种新合成的药物干预。可以预见，这种实验性分子通过阻断Cyclin-CDK的激活来发挥作用。原则上，此类药物应该能够使人类卵子重新进入“休眠”状态，有可能提高某些难治性不孕症女性的体外受精成功率。

2010年，斯坦福大学医学院的一组研究人员采用了一种更简便的方法，以开发一种与细胞周期动力学关系更密切的体外受精工具。医学辅助生殖的一个始终未解决的难题是，只有三分之一的受精胚胎能够达到继续发育成为可以存活的胎儿的阶段。为了提高成功概率，需要植入多个胚胎，但这又会导致双胞胎与三胞胎的频率增加，而这又会带来相应的内科与产科并发症。

能否识别出最有希望产生健康成熟胚胎的单细胞受精卵？换句话说，在植入它们之前，我们能否前瞻性地识别出这样的受精卵，从而提高单胎健康人类婴儿的成功率？斯坦福大学的研究小组采集了242个人类胚胎，拍摄了它们从单细胞受精卵发育成名为囊胚的多细胞中空胚球的成熟过程，这是一个健康的可存活胚胎的早期迹象。 [38] 囊胚由两部分组成。它的外层形成胎盘与脐带，即发育中胎儿的支持系统，而内细胞团则附着在充满液体的腔壁上逐渐发育为胚胎。囊胚的外层与内细胞团都来自第一个受精细胞，通过细胞的快速分裂以及不断的有丝分裂形成。

事实上，只有大约三分之一的单细胞胚胎能够形成囊胚，这与临床上体外受精三分之一的成功率相吻合。 [39] 通过倒放影片，并使用软件测量各种参数，斯坦福大学的研究小组只确定了三个可以预测未来囊胚形成的因素：第一个细胞第一次分裂所需的时间，第一次分裂与第二次分裂之间的时间，以及第二次与第三次有丝分裂的同步性。依靠这三个参数的组合，预测囊胚形成的准确率（以及随后的植入成功率）提升至93%。想象一下，这相当于采用单个胚胎进行体外受精的成功率达到90%，同时还不必担心双胞胎与三胞胎的高危妊娠。

我们也许会带着困惑注意到，正是像同步性、有丝分裂时间与细胞分裂保真度这样的测量参数，使保罗·纳斯及其学生在近三十年前就能解析酵母细胞的细胞周期。

---

[1] 作为检查点而言，G 2 阶段似乎是一个非常简单的解决方案，直到你发现它必须完成一个相当微妙的平衡动作。据我们所知，G 2 “停滞”主要是为了检测细胞中的灾难性突变。这些突变发生在S期。就像任何具有内在误差率的复制机一样，在合成阶段产生新DNA拷贝的分子机器也会出错。其中一些会立即被修复，但有些则会被保留下来。如果G 2 阶段能阻止每一种突变，捕捉每一处疏忽，纠正每一个错误，突变体将永远不会产生，而进化就会戛然而止。因此，G 2 阶段必须是敏锐的守护者，它知道何时应该留意且何时应该放手。——作者注 zOS/u4MCHC6Vku9ds81FcfiXBxRsAzEgM5OkIqVFrAkpVoFH9HTti90D39QEEYe7