第1章
一细胞问题

世界上究竟是先有鸡，还是先有蛋？

——古老的谜题

婴儿是从哪里来的？

这是一个关乎个人且人人都会有的疑问，或早或晚，我们都会在人生的某个时刻思考这个问题。当然，答案也是五花八门的，其中最常见的一个是我们在上学时听到的——生命始于一个细胞，它由卵子和精子结合产生。细胞一次又一次地发生分裂，直至形成一个包含数万亿个细胞的完整人体。

总体而言，这种对胚胎发育（也被称为“胚胎发生”）的描述还算准确。但如果我们退一步，考虑到这个过程中发生的每一个步骤都必须准确无误，那么你我能够顺利来到这个世界上简直是一个奇迹。随着受精卵的分裂，它的子代细胞逐渐聚合成各式各样的结构（器官），这些结构之复杂，以至于我们至今都无法用工程学的手段在生物体外复现同样的过程。每次分裂，细胞都会忠实地复制自己的DNA，然后平均分配给每个子细胞。随着时间的推移，这些子细胞，以及子细胞的子细胞，便开始有了完全不同于母细胞的新身份——血液、骨骼、皮肤，等等。

细胞费尽心力的最终产物是一副身体，这副身体做好了面对无数突发情况的准备——缺水少粮、掠食者的威胁、病原体，以及毒物。在这个过程中，出错的机会多得数都数不清，可细胞绝少犯错。每天，世界上都有数以十亿计的动物完成从一个细胞到完整个体的发育旅程，这个数字里包括30多万的人类。胚胎发育是第一次，也是最重要的一次成人礼，事实上，它为地球源源不断地输送着新生命。

为什么如此奇妙的发育能这么顺利且持续地发生？细胞是怎么知道应该如何发生特化、在何时分裂、去哪里，以及如何行动的？控制发育的关键因素是基因还是环境？物种怎样确保每一代个体的发育过程都完全相同，如何限制错误的发生，以防自己走上灭绝的道路？还有最了不起的一点，一个能动、能呼吸、能消化、有感觉、会推理的完整的动物个体，究竟是如何从区区一个细胞发育而来的？我们可以把最后这个疑问称为“一细胞问题”。

同样的问题有各种各样的版本，人类同这些问题的角力可以追溯到古代，但在19世纪中期以前，我们缺少最低精度直接观察胚胎的技术手段。由于这个原因，在这个时间点之前，绝大多数与发育相关的概念都是不完备或者根本就是错的。如今，有了强大的分子工具，我们发现自己正处于一个前所未有的时代：我们可以用基因、细胞和分子来解释发育，并借用这些概念来描绘自己诞生的复杂过程。

无限嵌套

我们先来看一个思想实验。假设你暂时忘却了某些概念，你既不知道什么是胚胎，也不知道世上有细胞或者基因。取而代之的是，你对人类的认识建立在直观的感官上：人是一个牢不可破的整体，由大大小小的身体部件构成。除了眼睛能看到的部分（头、躯干、四肢、眼睛、耳朵、嘴巴、牙齿、指甲、毛发，等等），你对其他一切都一无所知。在这样的情况下，试想你会如何看待人的起源，如何从一个成年人追溯到婴儿，然后再往前追溯……姑且不论你想象出来的东西是什么。

就个人而言，我觉得这个思想实验很难。问题恰恰在于已知的信息太多，尤其是我已经知道人体是由细胞构成的了，仅仅这一条就把胚胎发育同作为组织和躯体基本单位的细胞紧密地联系在一起了。所以，（对我来说）要假装不知道胚胎是由细胞构成的这个事实是非常困难的，就像我要假装不知道沙丘是由细密的沙粒构成的一样。学习往往是一条单行道。

为了绕过这种认知带来的障碍，我转而让6岁的女儿来思考这个问题，据我所知，她在学校里应该还没有学习过任何相关知识。

“莎拉，”我问道，“小婴儿是从哪里来的？”

莎拉对这种非常规的问题（指能够启发思考的科学、哲学和形而上学的问题）已然习以为常，她总是愿意配合，因为她知道这样做会让老父亲心花怒放。（即便如此，我依然觉得由我来问女儿小婴儿是从哪里来的，而不是她问我，这件事本身就很逗。）

“是从妈妈的肚子里来的。”她回答。

“对，没错儿，”我说，“当小婴儿还在妈妈的肚子里时，我们管它叫胚胎。”

“哦。”她回答道，一脸不在乎的样子。

我继续说道：“那么，莎拉，现在你来告诉我，你觉得胚胎在妈妈肚子里的时候是什么样子？”

这次，她想了想才开口：“它长得像一个小小的小婴儿，比鸡翅还要小。”

“啊，很有意思，”我说，“那再往前呢？胚胎在最开始的时候，在刚刚开始生长，还没有变成一个小小的小婴儿的时候，它是什么样子？”

这个问题的答案似乎太显而易见了，惹得莎拉笑出了声。

“在那之前，它像一个小小小小婴儿。”

认为我们的前身是某种“预成的胚胎”——在受孕发生的那一刻，所有的部位便已经就位，只等这个缩成一团的小人儿长大——这种观点被称为“先成论”。你可能觉得这种说法既愚蠢又浅薄，但从我女儿的回答来看，它一点儿也不牵强。事实上，认为动物个体始于一种预先存在的微型幼体（如同那种只有在放大镜下才能看清的相片）或许是一种最符合直觉的看待发育的方式，尤其是如果你完全不知道什么是细胞、基因或者进化。

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2 000年里，后成说作为一种范式，始终占据着主导地位。

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——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——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“animalcules”（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？

虽然马勒伯朗士的观点有很浓的哲学和神学色彩，但他的理论还是让人们开始重新审视亚里士多德的研究手段及结论。 令人没有想到的是，这种反思居然也推动了先成论的再次兴起。最具影响力的证据来自17世纪的荷兰博物学家杨·斯瓦默丹。斯瓦默丹以解剖昆虫的高超技艺著称，他偶尔会在有钱人云集的私人聚会上展示自己的解剖本领。斯瓦默丹对未成熟的生命形态尤其感兴趣，比如蛆、毛毛虫和蛹，他在解剖这些结构时发现了非常惊人的现象：这些幼虫或者蛹似乎长着成虫的器官，就算不是五脏俱全，也八九不离十了。腿、翅膀、腹节，还有触角，这些器官早在蛾子或者蝴蝶诞生之前就存在了，只不过它们都挤作一团，仿佛在等待某种启动生长的信号。

斯瓦默丹的解剖研究并没有回答生物的机体究竟形成于发育的哪个阶段，即便如此，他观察到的这个现象却为机体结构是预先存在的说法提供了支持。支持者纷纷表示赞同，这些人中有18世纪的多位权威博物学家，比如马尔切罗·马尔皮基、拉扎罗·斯帕兰札尼、查尔斯·博内特及阿尔布雷克特·冯·哈勒。从此以后，先成论再次成为解释胚胎起源的主流理论。

不仅如此，列文虎克的另一个发现还让先成论复兴的故事变得更加跌宕起伏。这位荷兰磨镜匠注意到人类的精子长着一条尾巴，而且能像蝌蚪一样游泳，这似乎表明它们拥有某种生命力，甚至意味着它们很可能拥有灵魂。所以人们认为，“预成的胚胎”可能就在精子里，而不是相对静态的卵子里。这个发现导致支持先成论的人分裂成两个派别，分别是“卵源论”，支持者相信假想的生物体隐藏在雌性个体的卵子内；以及“精源论”，支持者相信微小的生物体存在于雄性单倍体的精子内。这两个派别的争论极其激烈，甚至淹没了那些质疑先成论本身是否成立的声音。

在喧闹的争吵中，神职人员和上流人士同样表达了他们对先成论的支持。对教会来说，用这种无始无终的眼光看待胚胎与胚胎的传承关系无异于在尘世和天界之间建立起了某种关联。如果马勒伯朗士宣扬的种中之种理论是正确的，那就意味着每种生活在过去、当下和未来的生物都是在某一个神迹显灵的时刻被创造出来的。这是对上帝在夏娃的卵巢（如果你是精源论者，那么这里就应该是亚当的睾丸 ）里种下了全人类的生动例证。而在贵族看来，先成论让他们一脉相承的特权有了合理的解释，因为它赋予了事物与生俱来的秩序：每位国王都是国王的子嗣，而每个百姓则生来就是百姓。凭借宗教、科学和社会内涵，先成论对身居高位的人有某种特殊的吸引力，并在将近两个世纪的时间里成为胚胎发育的主流模型。

拼图游戏

时间来到了19世纪中期，两个理论的出现再次让天平倒向了亚里士多德那一边，或者说至少让先成论和后成说变得势均力敌。第一个理论是细胞学说，它认为细胞是生命的基本单位，地位相当于化学中的原子或者物理学中的光子。“细胞”（cell）一词是英国博物学家罗伯特·胡克在1665年提出的，当时他把一块栓皮放到了高倍镜下观察，结果看到栓皮由一个又一个的亚单位组成，这种单位与蜂巢里的巢室（cell）及修道院里僧侣们居住的单人隔间（cell）很像。胡克推算，每立方英寸 的植物组织含有超过10亿个这样的单位。但胡克和他之后的人都不认为这个发现有什么重大的意义，他们只觉得自己看到的东西很有趣，但无关紧要（在这里提醒一下那些将来要当科学家的读者，绝大多数重要的科学发现起初都平平无奇，很容易被忽视）。

1839年，德国植物学家马蒂亚斯·施莱登和德国解剖学家特奥多尔·施万重提了胡克的发现，提出细胞是生物学里不可分割的最基本单位，“活物”的概念不适用于任何比细胞小的东西。他们宣称，动物和植物是由细胞构成的复合体，与列文虎克看到的单细胞显微动物属于不同的类别。用今天的眼光看，他们的观点是不言而喻的事实。自列文虎克发现细胞以来的两个世纪里，生物学家一直把目光聚焦在细胞上，鲜有意识到细胞其实是宏观整体的组成部分，可谓只见树木，不见森林。一连串新的问题接踵而至：细胞有什么功能？它们是如何工作的？老的细胞如何产生新的细胞？到了19世纪50年代，这种从细胞的角度看待生命世界的方式引发了重新审视每个生物学假说的浪潮。

第二个颠覆性的理论是自然选择。查尔斯·达尔文洞察到，地球上种类繁多的动物是巧合而非设计的产物。其实早在达尔文之前，生物学家就接受了进化的概念，即随着时间的推移，新的物种会慢慢出现。但是，他们在这个过程发生的细节上争论不休。法国博物学家让-巴蒂斯特·拉马克提出的进化学说将进化看作用进废退的结果：经常使用的部位会变壮，不用的部位则会萎缩。作为证据，拉马克最经典的例子是长颈鹿，他宣称这种生物之所以长着长长的腿和脖子，是因为它们的祖先在非洲的热带草原上努力去吃高大的金合欢树的叶子。在拉马克的观念里，新物种的诞生是需求使然。

而达尔文石破天惊的观点则认为，是竞争而非适应驱动着新物种的形成。 他认为，大自然总是在不断地产生新的变异：偶然出现的偏差改变了生物的大小、外形，或者某些部位的功能。他推论，绝大多数情况下，这些变异等同于错误，它们会导致后代在繁殖时处于下风。但在少数情况下，这样的偏差能提高后代生存和生育的概率（也就是相对“适合度”），使它们在与同类的竞争中占据上风，拥有选择的优势。在达尔文看来，适者生存，不适者淘汰，新物种的诞生与需求没有关系。

随着细胞学说和自然选择学说这两大重要思想在19世纪的讲堂和科学界逐渐流传开来，一个显而易见的问题出现了：进化是如何在细胞的层面上发挥作用的？因为所有的生物学特征——包括与进化有关的那些——都必须通过受精卵才能被传递给下一代。于是，深入探究生物性状的传承方式便成了当务之急。

但研究这个问题有一个障碍：此前还从来没有人问过类似的问题。在那个时代之前，生物学一直由自然主义主导，自然主义的传统是实地观察，然后围绕观察到的现象，利用演绎法构建理论。虽然这种研究方法孕育出许多重要的观点（或许最伟大的成果要数自然选择），但它并不要求在现实世界中验证这些观点的可靠性。每个经受住时间考验的自然主义理论的背后，都有几十个理论最后消失在历史的长河里。（我会在后文介绍达尔文提出的遗传模型，那就是一个漏洞百出的失败理论。）

进入20世纪，传统的自然主义被一种在实验基础上认识动物世界的新方法所取代。为了更好地理解自然主义和这种新研究方法（我们可以称之为“实验生物学”）的区别，你可以参考下面这个比喻。假设你得到了一台机器（比如一口摆钟），并被要求探明它的工作原理。自然主义的做法（观察和演绎）能告诉你相当多的东西。你可能会注意到时钟的三根指针分别在以固定的周期移动，而且每根指针的转动都与另外两根指针相关。如果你观察得足够细致，就会发现时针、分针和秒针之间存在1∶60的比值关系。但是，如果有人问你时钟为什么会走字——是什么让指针动起来或者将它们联系起来的机械结构是什么样子——那么光靠观察的你就只能猜测了。回答这个问题的唯一途径，同时也是理解时钟工作原理的唯一办法，是将它拆解，直接查看其内部结构，动手摆弄里面的零件，直至弄清它们各自的原理。

于是，科学家不再只是用眼睛观察胚胎，而是会亲自动手，他们通过人为干扰胚胎某个部分的功能，探究它会如何影响整个胚胎。信奉自然主义的博物学家从来都只会去山林旷野钻研如何更新和修正分类的标准，他们对这种在与世隔绝的实验室环境里研究细胞的做法究竟能否带来重大发现，普遍持怀疑的态度。不过，同所有颠覆性的技术一样，实验生物学即将彻底改变科学界。

胚胎发生始于受精。受精是两个配子细胞（精子和卵子，它们相当于“半个细胞”）融合产生单细胞胚胎（合子细胞）的过程。早在亚里士多德之前，人们就已经知道，新的动物个体（比如一只小鸡）形成所需的所有东西都被装在受精卵里。而后来的细胞学说则让人们意识到，生物体体积的增长是细胞数量增加的结果，由此可见，细胞一定拥有分裂的能力。到了19世纪晚期，显微镜学家找到了直接观察细胞分裂现象的方法，这让他们看到，当细胞一分为二时，细胞里有一种微小的细线（后来被称为“染色体”）发生相互分离，然后分别进入两个新生的子细胞内。

胚胎发生早期的细胞分裂（此时的合子不断分裂，变成由数百个细胞组成的细胞团）与在其他任何生命阶段发生的细胞分裂都不一样。 绝大多数情况下，细胞的生长都先于分裂，这保证了分裂后得到的子细胞与母细胞的体积大致相当。但是在胚胎发生的最初几个小时，分裂后得到的子细胞并没有明显的生长，分裂的过程仅仅是母细胞的中间形成一层新的膜，就这样把细胞一分为二，变成两个新的、体积减半的子细胞。同样的过程不断重复，每发生一次这样的卵裂，细胞的体积缩小1/2，直到胚胎变成一个球形的细胞团，我们把此时的结构称为“囊胚”。

这些观察引发了一连串与发育及合子内指导发育的指令的本质有关的疑问：在细胞经历分裂时，这些指令经历了怎样的变化？每次发生卵裂后，发育指令是如何被分配到两个子细胞（卵裂球）里的？是每个子细胞分别获得一部分，就像两个扑克牌手轮流从同一副牌里抽牌，还是每个细胞都能得到一整套完全相同的指令，相当于每个牌手都领到整副牌？最后，也是最引人入胜的问题，发育的指令究竟是以怎样的形式、被存放在什么地方？

19世纪晚期的德国动物学家奥古斯特·魏斯曼主张每个子细胞会分别抽走一部分牌。他相信每个卵细胞都含有许多微小的信息物质，并把这种决定生物性状的因子称为“种质” ——它们四散分布在卵细胞内的各个区域。魏斯曼推测，每一团信息物质都在卵细胞的不同位置，它们相当于图纸，分别编码了相应的组织。倘若真是如此，那就意味着通过卵裂产生的每个子细胞只能获得发育所需全部指令中的一部分指令，就像工厂的流水线工人只需负责组装一种零件一样。

从许多方面来看，魏斯曼的观点（后被称为“发育的镶嵌模型”）是向先成论的回归。细胞学说的出现导致原版的先成论不再有说服力：如果细胞真的是生命的最小单位，那么卵子里就不可能有更小的生命形式——“种中之种”是不存在的。但是，这并不意味着指导发育的“信息”不能够以某种先成的形式存在。魏斯曼的理论正是抓住了这一点，他认为这样的信息分布在卵子的不同区域。在他看来，合子就像一幅事先设计好的拼图，每一块的命运早已由它来自卵子的哪个部分决定。对此，后世的生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德曾说：“如果卵子真的是一种毫无组织性的同质化结构，并且没有任何预先形成的成分，那么除非有一种神秘的力量在指导发育，否则如何能呈现出这么奇妙的复杂性？”

半个胚胎

还有其他证据可以支持发育的镶嵌模型。19世纪末的生物学家们已经发现了细胞器，但他们并不清楚这种类似细胞内脏的亚结构到底有什么用，比如直到后来才被证明是负责存放遗传物质的细胞核。类似的亚结构还有很多，它们的外观和形态各不相同：线粒体、高尔基体、内质网，等等。这很容易令人联想到，只要有一种或者多种细胞器在子细胞中分配不均，就可以导致子细胞在发育的道路上分道扬镳。

1888年，德国内科医生威廉·鲁检验了魏斯曼的镶嵌模型理论。作为反对自然主义的领军人物之一，鲁相信单靠观察永远也不可能使我们洞悉生物学的全貌。与从来都只是根据组织和细胞的行为表现编织理论的博物学家不同，鲁试图理解隐藏在动物发育背后的每一个环节，为了达到这个目的，最好的办法莫过于实验。鲁坚持认为，只有在环境条件受控的实验室里，我们才能像研究机械装置的工作原理那样，将生物样本拆开并摆弄里面的部件。鲁的信条是：“猜想必须接受现实的检验。”

鲁的思想体系还有第二个核心——他不相信动物拥有任何奇异的特质（例如活力、灵魂，或者精神），能使它们区别于非生物。鲁将自然界的一切事物看作物理和化学的产物，万物都遵循基本的物化定理。他相信，雕琢青蛙和人类的力量与塑造群山和溪涧的力量没有区别，两类事物的差别仅在于复杂的程度。可是，一细胞问题却让鲁犯难了。他难以想象当一个细胞变成几十亿个细胞之后，这些细胞要如何才能准确无误地找到自己的位置，有条不紊地执行正确的功能，并且最终构成一个完整的动物个体。最让他感到疑惑的是：我们应该如何用物理和化学定律来解释一种似乎拥有自我组装能力的实体？

魏斯曼的镶嵌模型为我们提供了一个颇为诱人的答案。如果卵子本身就是预装好的——每个区域都对应着日后动物身上的某个部位——那么，胚胎不可思议的发育能力就可以解释了。根据鲁的设想，信息物质被保存在卵子的不同区域内，正是这种空间分布引导着胚胎跳完了一支发育之舞。不过，镶嵌模型只是一种假说和理论，鲁需要对它加以证明。

最终，鲁想出了一种名为“细胞消融实验”的检验方法。这个实验需要杀死发育早期的部分细胞，然后观察剩余细胞会发生怎样的变化。鲁推断，假设魏斯曼的理论是正确的，那么在受精卵继续分裂时，只有一部分发育指令会随着幸存的细胞一起，被传递给子细胞。也就是说，如果两个子细胞中有一个死亡，那么剩下的那一个由于没有完整的全套指令，应当只能发育成胚胎的一部分。而如果事实正好相反，发育的镶嵌模型是错误的，那么或许幸存的细胞也能继续正常发育，就像什么事都没有发生一样，完全无视另一个细胞遭遇的不幸。

鲁选择用蛙卵做这个实验，蛙卵不仅体积大，而且能在环境条件受控的实验室里完成受精。他仔细地透过显微镜的目镜观察，等待合子开始它们的第一次卵裂，这个过程启动的征兆是一道小小的褶皱出现在刚刚形成的受精卵的某一端。一旦第一次卵裂结束，鲁就用一根烧红的针（针尖远比细胞小）刺死两个子细胞中的一个。随后，他又用同样的方式一个接一个地处置其余的胚胎：为了看看幸存的那个细胞会有怎样的表现，鲁活像一个细胞连环杀手。

第二天，鲁检查了受损的胚胎，他看到的结果印证了魏斯曼的理论：虽然死亡的那个细胞只剩下一个外形扭曲的空泡，另一个细胞却继续生长和成熟，它仍旧以原本该有的样子按部就班地发育，周围发生的变化并没有对它造成明显的影响。这个实验的结果是，培养皿里到处都是模样怪异的“半胚胎”：这些胚胎只有一半是正常发育的，另外一半始终死气沉沉。鲁随后更进一步，他把针刺细胞的时间延迟到了第二次卵裂结束之后，也就是等到有4个细胞的时候。这次实验的结果与他第一次实验的结果一致：如果只刺死其中一个细胞，再让剩余的三个细胞继续发育数个小时，那么最后得到的将是一个少了1/4的“3/4”胚胎。反过来，如果在同样的阶段刺死4个细胞中的3个，让剩下的那个细胞继续发育，那么最终得到的是一个“1/4”胚胎。无论鲁怎么对待胚胎，幸存的细胞都会规规矩矩地做它们原本应该做的事，似乎根本不在乎邻居的悲惨遭遇。

乍看之下，鲁的实验结果的确是支持镶嵌模型的有力证据。如果不是细胞拥有某种“预先设定好的”程序，还有什么能够解释幸存细胞这种不受外界因素影响的发育现象呢？怀有类似想法的人不止鲁自己。在大约相同的时期，法国生物学家洛朗·沙布里用海鞘做了实验。海鞘是一种形似马铃薯的无脊椎动物，经常附着在船体和海床的岩石上。沙布里发现，如果把海鞘的细胞打散，它们依然会沿着既定路径继续发育。这再次证明，胚胎中的每个细胞都在生物整体的发育中扮演了不可替代的角色。 鲁的结论同魏斯曼一样，他也认为指导发育的蓝图以一种看不见的形式存在于卵细胞的三维空间内，而且这种分布与空间位置严格相关。但是，鲁在得出这个结论的过程中有一个致命的疏忽，而同科学中的许多发现一样，我们能够意识到这个疏忽纯粹是出于意外。

能够自我复制的机器

这个故事的主角名叫汉斯·杜里舒，一名刚刚获得博士学位的22岁科学家。杜里舒对外面的世界充满好奇，1889年，完成论文的他去了远东地区旅行。在那里，用一种整体视角看待自然世界的哲学深深地影响了杜里舒，这与他在德国从小耳濡目染的观念完全不同。返程途中，杜里舒在意大利的那不勒斯稍加停留——这座位于维苏威火山山脚的城市被当时的亚历山大·仲马称为“天堂之花”。那不勒斯原本只是杜里舒旅途中的一个停靠站，没想到他在那里一待就是10年。

那不勒斯不仅是19世纪晚期最具活力的欧洲城市之一，在当时，它刚刚修建了一座生物医学研究中心，名为意大利国家动物学研究站。这个研究站开创了一种新的研究范式，科学家可以在那里租用实验台和实验设备，就像艺术家租借工作室和创作材料。这种科研模式取得了巨大的成功，来自世界各地的科学家蜂拥而至，他们都想远离竞争激烈的大学生活，享受自由自在的科研（不过，能否获得离岗外出的许可本身就很考验运气）。除了新模式，研究站的地理位置也好得不能再好了——它与那不勒斯湾咫尺之遥，许多科学家的研究对象都是海洋生物，而研究站的位置让他们能够轻松取得实验的素材。

杜里舒家境优渥，所以他不需要到大学里担任教职，这份自由无疑让研究站的同行眼红和愤懑，因为他们注定要回到各自的岗位，承担烦琐的教学任务。虽然杜里舒选择留在意大利的主要原因是他看中了动物学研究站日益显赫的名声，但那不勒斯的夜生活可谓锦上添花。他充分利用自己未婚的优势，以那不勒斯为跳板，游历了整个地中海地区、北非和亚洲。

无论从哪个方面来看，杜里舒和鲁都是两路人，鲁脾性严肃，对杜里舒沉迷的那些玩乐没有丝毫的兴趣。而在科学领域，二人同样南辕北辙。鲁做研究时一丝不苟，技艺超群，注重每一个细节。只要研究有需要，鲁会毫不犹豫地为解决科学问题专门制造新的设备或者发明新的技术。就实验操作而言，鲁能以无人可及的精湛技术完成最精巧的实验：在实验科学的圈子里，这种本领被誉为“妙手”。

相比之下，杜里舒的手就没有那么妙了。杜里舒的动手能力很差，而且不像鲁那么耐心和机敏。所以，他经常寻找捷径，专挑那些不需要精密的配件或者对手眼协调性要求没有那么高的实验。然而讽刺的是，正是因为能力不济，杜里舒才看到了鲁没有看到的东西。

与绝大多数当时的同行一样，杜里舒也为鲁似是而非地证实了发育的镶嵌模型雀跃不已。他急切地希望能够重复鲁的实验，以免自己在研究站显得不够入流。但是，鲁的实验方法难度很大，杜里舒没有能力（也不愿意）效仿，因此他想到了一种更简单的办法。杜里舒决定用海胆代替蛙，海胆是一种浑身长满尖刺的动物，巴掌大小，身上长着数千根类似触角的感觉器官。和蛙一样，海胆的卵也很大，这让研究它们的早期胚胎变得很容易。海胆的另一个优势是它们栖息在海湾，所以入手的难度不大。但是，杜里舒选择这种海洋生物最根本的原因是看中它们的生命力。“海胆的卵能够承受任何实验操作而不死亡。”他后来坦言。

除了研究对象，杜里舒还修改了鲁的实验策略：他没有用针刺死细胞，因为那需要极高的操作技巧，他仅仅把胚胎的细胞打散，像现代版的所罗门王一样，将原本完整的胚胎一分为二。理查德·赫特维希和奥斯卡·赫特维希是杜里舒在研究站交到的朋友，兄弟二人在早些时候发现，只要剧烈地摇晃海胆的胚胎，就能使细胞相互分离。理论上，这种操作能让杜里舒以相对简单的方式验证发育的镶嵌模型，唯一的区别在于：鲁是在精准刺杀一个细胞后观察另一个细胞的命运；而杜里舒则是先让细胞相互分离，然后观察每个细胞的变化。

1891年夏天，杜里舒正式开始实验。在收集了数十个海胆后，他取出了它们的卵子和精子，然后将二者放入试管内混合，促使受精发生。杜里舒事先已知合子完成第一次卵裂所需的时间，等这个时间一到，试管里到处都是只含两个细胞的胚胎。这正是杜里舒等待的时机。他用力地摇晃试管，把胚胎震得散架，原本成对的细胞相互分离，纷纷变成落单的细胞。在接下来的数个小时，经历粗暴对待的胚胎细胞继续有条不紊地分裂，最后每个细胞都形成了一种类似葡萄的细胞团——囊胚。随后，杜里舒用轻柔的方式将这些胚胎转移到盛着新鲜海水的培养皿里，它们有一晚上的时间静静地发育和成熟。

杜里舒本以为自己会在第二天早上看到一些虽然畸形但外形（极有可能）依稀可辨的组织，毕竟这是在重复鲁的半胚胎实验，只不过把蛙卵换成了海胆卵。然而到了早上，培养皿里可以用热闹非凡来形容：外形正常的海胆幼虫——除了体型较小，没有任何特别之处——在培养皿里快活地游来游去。每个被杜里舒摇散的细胞似乎都几近正常地完成了发育，这样的结果实在过于离奇。 杜里舒把同样的实验重复了数次，每次的结果都一样。随后，杜里舒又效仿鲁的做法，把摇晃试管的时间推迟到了海胆的受精卵完成第二次卵裂之后。可惊人的结果再次出现，每一个胚胎细胞都独立地发育成了新的动物个体，这与鲁在用蛙卵所做的实验里得到“1/4”胚胎和“3/4”胚胎的结果大相径庭。

杜里舒的实验结果终究还是传到了鲁的耳朵里，可这位受人敬仰的教授却不愿意相信。（杜里舒直言不讳，声称鲁的理论必须被推翻，这样的态度很可能让鲁十分抗拒。）在鲁的实验里，细胞的命运是一种事先就已经确定或者说自主的性质，它似乎不会被周围发生的事所影响。而在杜里舒的实验里，细胞的命运如何却要看具体情况，它取决于细胞究竟是单独存在，还是与其他细胞绑定在一起。这两个实验的结果是不相容的。造成二者不同的原因会是蛙和海胆的物种差异吗？还是其中一人的实验有错误？两人的结果有可能同时成立吗？

两位科学家像对待一台复杂的机器一样对待胚胎，他们试图理解胚胎的运作机制，仿佛它是一口钟，或者一辆车。但是，胚胎不同于普通的机器，它是一台在被切分成一半或者1/4后，仍能自我重建的机器，我们要如何理解这样的事物呢？

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。

可是，鲁的发现又该如何解释呢？他明明没有在细胞身上看到这种随机应变的能力。是因为可塑性没有发挥作用吗？

让我们再仔细地回顾一下鲁的实验设计。当用烧热的针刺死细胞时，鲁的假设是细胞的残骸本身并不会产生任何影响。如果这个假设是错误的呢？ 有没有可能，即使死亡的细胞失去了发育的潜力，也依然在对周围的同伴施加影响？让人万万没有想到的是，答案竟然是肯定的。即便已经被鲁杀死，毫无生气的细胞残骸居然还能从阴曹地府捎来口信。而它们发送的信息是：“我还在这里呢！”在鲁的实验里幸存下来的那些细胞就这样相信了同伴的话，对实际上并不存在的另一半发来的信号言听计从，它们克制着自己的发育潜力，确保自己只形成半个胚胎，而不是整个胚胎。

通过摇散胚胎，使细胞分离，杜里舒在无意中避开了这个问题：幸存的海胆细胞不再受相邻细胞的掣肘，它们可以用内置的GPS重新规划路线，恢复先前单细胞合子拥有的发育潜力。

在鲁和杜里舒做实验的那个年代，细胞具有可塑性还是一个违背直觉的概念。细胞怎么可能突然就“改变自己的主意”呢？身为观点的提出者，杜里舒比任何人都清楚这个想法的麻烦之处。胚胎发生这样的过程对精度的要求实在是太高了，不管重复多少次都不会出半点儿差错，所以很难想象细胞的命运居然会和偶然性扯上关系。苦于无法理解细胞是通过什么方法实现随机应变的，杜里舒只得设想其他的解释。他诉诸隐德来希，这个术语最早由亚里士多德提出，意思是“生机”或者“灵魂”。杜里舒用它来解释那些他无法理解的现象。除了某种神秘的力量在暗中引导，还有什么能让细胞的行为发生如此戏剧性的改变？到了1910年，杜里舒彻底摒弃了实验生物学，转而把研究哲学、心灵学，甚至通灵当成自己的事业。虽然杜里舒在魏斯曼的镶嵌模型上找到了漏洞，但他没能提出取代镶嵌模型的理论。在很多人的眼里，后来的杜里舒似乎已经丧失理智了。

组织者

1896年，27岁的德国生物学家汉斯·施佩曼染上了结核病。这场病来得很不凑巧，施佩曼当时正在给一项横跨医学、动物学和物理学的研究收尾。康复期很长，为了打发无聊的时光，这位卧床不起的生物学家时常让护工给他带一些科学资料。施佩曼如饥似渴地阅读一切能送到他手上的东西，突然有一天，他看到了一本题目十分简短的册子《种质：一种遗传理论》。这正是魏斯曼的论文，这位著名的生物学家在论文中论述了自己对遗传和发育的见解。在此之前，施佩曼并没有关注过胚胎学或者一细胞问题，但读完这篇论文后，他被深深地吸引了。施佩曼看完了魏斯曼所有的作品，紧接着开始读鲁的文章，然后是杜里舒的文章，再然后是别人对三人研究的评论。

阅读完所有材料后，施佩曼产生了与杜里舒相同的疑问，正是这个问题驱使后者放弃了实验科学：一个人要如何才能研究一种似乎可以自我复制的机器（也就是胚胎）？除了刺死个别细胞或者让细胞们相互分离，还有没有其他可以研究胚胎细胞究竟做了什么“决定”的实验手段？这个问题在施佩曼的脑海中挥之不去，病还没好，他就开始在病床上琢磨各种可能的方法，想着一旦身体好转，自己或许就能填补这个空白。

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，通过观察这些细胞在融入另一个胚胎后的表现，就能知道它们的命运究竟是固定（确定的）还是不固定的（可塑的）了。这个实验犹如萧伯纳创作的戏剧《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，杜利特尔能否融入新的环境（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——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。

在接下去的20年里，随着施佩曼不断改良自己的实验技术，以及数百例细胞移植实验的完成，他逐渐看出了一种稳定的模式：被转移的细胞几乎总是会融入新的环境，它们落到哪里，就相应地变成什么。当施佩曼把供体胚胎背侧的细胞移植到受体胚胎的腹侧时，这些细胞就会变成“肚皮”，仿佛它们生来就位于胚胎的腹侧一般。其他的实验得到的结果与此一致。无论是从哪个部位提取的组织，无论它们的落点位于哪里，组织里的细胞都能不费吹灰之力地融入新环境，犹如成功跻身伦敦上流社会的伊莱莎·杜利特尔，这无疑是细胞具有可塑性的表现。

施佩曼还发现了第二个与细胞可塑性相关的重要特征，即移植物的可塑性取决于供体胚胎的年龄。只要被移植的组织来源于年轻的胚胎（换句话说，囊胚），它就能融入新的环境。如果移植的时间再晚一些，一旦胚胎已经开始成熟，那么细胞就很容易延续它们在供体胚胎里的发育路径。也就是说，随着胚胎的年龄增长，细胞的发育路径会变得越来越固定。

如此说来，其实可塑性是年轻细胞的特权。

如果不是法兰克福大学一名22岁的学生希尔德·曼戈尔德，那么这个故事讲到这里就应该结束了。施佩曼曾以访问教授的身份到法兰克福大学演讲，出于偶然，曼戈尔德恰好听到了他的讲座。施佩曼对细胞移植实验的技术难度直言不讳，但听完描述的曼戈尔德不但没有望而却步，反而兴奋不已，她迫切地想要学习这种技术。曼戈尔德提出想去施佩曼的实验室攻读博士学位，她的愿望实现了。随后在1920年，曼戈尔德搬到了弗赖堡，开始与施佩曼一起做研究。

曼戈尔德做显微手术的手艺精湛，于是，施佩曼让她负责一个需要用到淡水水螅的课题，这种动物以惊人的再生能力著称。曼戈尔德的任务是将这种淡水水螅的内表面翻到外面，然后观察它会有怎样的表现，这个实验需要高超的操作技巧。在经历一年的沮丧和挫败后，曼戈尔德没有取得任何进展，她恳请施佩曼换一个新的课题。起初，施佩曼很犹豫，但当他发现就连自己也无法完成这种显微操作后，便答应了曼戈尔德的要求。

蝾螈胚胎的背侧会形成一道凹陷，这个区域被称为“背唇”，曼戈尔德的新课题与构成背唇的一小块细胞有关。施佩曼此前的研究已经证实，背唇是原肠作用发生的起点——在原肠作用期间，胚胎将经历剧烈的变化。我将在后文对原肠作用做更多的介绍，眼下，你只需要知道在这个阶段，细胞会运用各种各样的手段，使背唇从一道小小的凹陷变成一个巨大的洞，最终吞没周围的细胞，把它们包进胚胎的内部。施佩曼对构成背唇的细胞很感兴趣，因为它们似乎违背了年轻细胞具有可塑性的规则。与囊胚里其他能在移植后适应新环境的细胞不同，背唇细胞可谓我行我素，不论落到哪里，它们只会做一件事，那就是开一个孔，为原肠作用的启动做准备。显然，这一小块组织有某种独特之处，而曼戈尔德的任务就是深入研究这种特性。

为了彻底弄清究竟发生了什么，曼戈尔德需要分别追踪移植细胞和非移植细胞的行为表现，这意味着她不得不借助某种手段，来区分供体和受体。施佩曼本人恰好有解决这个难题的方法，他此前的一项研究必须用到两种亲缘关系较近的蝾螈：其中一种蝾螈（学名为Triton taeniatus）的色素细胞颜色很深，另一种蝾螈（学名为Triton cristatus）的色素细胞颜色很浅。由于这两种蝾螈属于近亲，所以它们能接受彼此的胚胎移植物，但色素的深浅差异使得研究人员能明确区分每个细胞究竟来自供体还是受体。

1921年春天，曼戈尔德用这两种蝾螈的胚胎完成了数百例移植实验。绝大多数实验素材都遭到了细菌的污染，最后只有一例移植物活到了发育成熟。但是，仅仅这一例就足以说明问题了：令人惊讶的是，移植物所在的那一侧长出了第二个胚胎，导致整个胚胎的模样犹如连体婴。曼戈尔德在检查连体胚胎的细胞颜色时又发现了另一个惊人的事实。她原本的预期是，这个错位的新胚胎是由移植物发育而来的，可实际上，她看到新胚胎同时包含了供体和受体的细胞。这只能说明一件事：移植细胞诱导了周围的受体胚胎细胞，改变了它们的发育方向，使它们参与了镜像胚胎的形成。这种细胞的命运发生改变的现象被称为“胚胎诱导”，如果还是用伊莱莎·杜利特尔的故事来打比方，这种现象就像是把一个生活在伦敦西区的贵族强行变成伦敦东区的工人。

从此以后，没有人再怀疑这一点：在发育过程中，细胞会以一种只有它们才懂的交流方式“交谈”。杜里舒的实验结果已经暗示了这种诱导现象的存在，而现在，科学家能直接对其开展研究了。在海胆和蛙的实验里，相邻细胞发出的信号起到了阻止双胞胎产生的作用；而在蝾螈的囊胚里，情况正好相反，一小块细胞发出的信号促进了双胞胎的形成。

为了彰显背唇细胞拥有的特殊能力，施佩曼给这一小块不起眼的组织取了一个响亮的名字：组织者。 组织者的发现不仅奠定了“诱导”概念在胚胎学中的核心地位，还让施佩曼获得了1935年的诺贝尔奖。至于这个关键实验事实上的完成者、施佩曼的学生曼戈尔德，她既没有看到自己的研究产生的深远影响，也没能一同站上诺贝尔奖的颁奖台：1924年9月，由于厨房的汽油加热器发生爆炸，这位26岁的母亲悲剧地离开人世。去世时，她的论文才刚刚发表。

美国体系与欧洲体系

作为20世纪最出色的生物学家之一，悉尼·布伦纳曾说发育的推进只有两种模式，它们分别是欧洲体系和美国体系。欧洲体系只注重血统——一个细胞的来源远比这个细胞目前位于哪里更重要；相比之下，美国体系更倡导平等主义——一个细胞所处的位置远比它是从哪里来的更重要。按照布伦纳的说法，欧洲体系认为细胞“奉父母之命行事”，而美国体系则认为细胞“根据邻居的话采取行动”。

布伦纳的比喻是为了凸显可塑性与确定性的区别。一个身份由血统决定的细胞（欧洲体系）没有多少选择的余地，它在诞生的那一刻就注定会走上某条确定的道路。相反，一个没有受到类似限制的细胞（美国体系）就有很多选择，它未来会走上哪条道路由它的经历决定。胚胎里既有命运确定的细胞，也有未来可塑的细胞。在发育早期，整个胚胎的性质更倾向于可塑性，而到了发育后期，这种平衡则逐渐倒向确定性。随着年龄增大，细胞会像很多人一样，变得越来越保守和固执。

其实换个角度，布伦纳的比喻无非是先天和后天之争的另一种表述：这个争论的焦点在于，我们的生物学属性究竟是早就确定、与生俱来的，还是不确定的、可以被外界影响的。到这里为止，我介绍的所有内容——先成论与后成说的争端，以及现代生物学语境中确定性和可塑性的分歧——无不体现了先天与后天的张力。但经验和常识告诉我们，事实并不是非此即彼。

美国体系和欧洲体系都有适用的时候，有的情况以美国体系为主，有的情况是欧洲体系占上风。可塑性赋予了胚胎细胞调整路线和适应错误的能力，而错误在发育过程中是不可避免的。但是，如果每个细胞的命运都完全由其他细胞的行为决定（细胞的一切都离不开其他细胞），胚胎结构的形成根本无从开始。确定性，或者说可塑性的丧失或缺失，才是胚胎结构的来源，它为细胞提供了可靠的参考框架，就像路标一样，让它们知道前进的方向。为了使发育能够正常推进，必须有一部分细胞始终保留适应变化的能力，另外一部分细胞义无反顾地承担起固定的使命：细胞不得不在随机应变和服从命令之间做出妥协。因此，我们的发育过程就像一个悖论：受精卵天生就知道如何从一个细胞发育成动物个体，但在这条固定不变的道路上，它又保留着变通的能力。从这个角度来说，杜里舒是对的，胚胎的确跟任何机器都不一样。

正是这个悖论让过去的人们产生了动物预先就存在于卵细胞内的想象，包括我女儿设想的“小小小小婴儿”。无论是鲁还是杜里舒，他们都没能参透这种固定性和灵活性之间的冲突，至于施佩曼，纵使他几乎每天都在亲眼看见先天和后天两种对立的现象，可对背后的原理，他也不完全清楚。事实上，确实有一种高深莫测的力量在推动胚胎的发育，只不过并不是杜里舒认为的“生机”或者“灵魂”。给发育注入动力及裁定确定性和可塑性应当保持何种平衡的，其实是化学和物理法则。杜里舒（还有2 000年前的亚里士多德）感受到了一种神秘的外部力量，其真面目是进化这只看不见的手：它用了数十亿年的时间，才为每一个合子设计了可以随身携带的发育蓝图。

实际上，解决一细胞问题的方法就藏在我们的基因里。 2hMOcy4twLEGe9RH6p18JGh+CmG+341jVg8lJYbVNEPxUM+CceK+hLlqgfczKec+