《生命的成形》 田牧歌解读

《生命的成形》| 田牧歌解读

你好，欢迎每天听本书，今天为你解读的书是《生命的成形》，副标题是“从单一细胞到复杂身形”。

英国哲学家、诗人柯尔律治曾说过：“一个人出生前九个月的历史，可能比之后的七十年更有趣。”刚听到这句话，我们可能会觉得有些言过其实，人出生前的几个月怎么能和之后的多彩人生相比呢？九月怀胎，一朝分娩，生命孕育的过程确实很伟大，但单论生命成形过程的话，好像确实和精彩二字沾不上边。

不过这本书告诉我们，生命的成形过程极其精彩复杂，甚至堪称奇妙。比如，胚胎发育时没有统一的协调机构，那它是如何组织起整个机体成形的？不同细胞是怎么知道自己该在什么时候分裂或者分化的？人体内的细胞数量是银河系中恒星数量的几百倍，这么多细胞是如何做好分工，不出差错的？如果这些问题真的摆在你我面前，恐怕很难有人能给出好的解决方案。

那生命到底是以什么样的方式，仅凭一个细胞就构建出一个复杂而又完整的人呢？今天这本书聚焦的就是这个问题，它告诉我们，生命和我们熟悉的工程机械完全不同，它在制造自身时没有设计图、没有工程师，而是选择用“适应性自组织”的方式构建起一切。

适应性自组织是指，简单的组分遵循某些简单的规则，适应彼此，自发组织形成大规模的、巧妙精致的东西。它不仅是生命从简单到复杂的完美解决方案，而且还能把这个过程的出错率降到最低，其中蕴含的智慧对我们解决问题有很强的启示性。而且通过了解生命成形的原理，我们还能掌握很多具有生活指导性的知识，比如为什么孕妇不能缺乏叶酸等营养物质，为什么我们要警惕生活环境中的某些化学成分，等等。

本书作者是国际生物发育学界的权威专家、英国爱丁堡大学实验解剖学教授杰米·戴维斯。他的研究领域和本书主题高度重合，主要是哺乳动物器官的自我构建过程，以及人工培养器官组织的方法。他在哺乳动物发育领域已经发表了约90篇研究论文，出版或参与编辑了多本生物发育学领域的专著，同时还是学术期刊《器官发生》的主编。由戴维斯为我们介绍生命的成形过程，实在是再合适不过了。

好，接下来我就通过三个部分为你介绍书中内容。

首先我们讨论一下，为什么说生命的发育过程非常独特，甚至堪称奇妙？接下来让我们仔细聊聊，生命的适应性自组织是怎样实现的，它有什么意义？最后让我们通过适应性自组织的视角，看看生命是如何自我成形的？

让我们先来讨论第一个话题。本书作者在书的第一章就提出，生命的发育过程非常独特，某些方面甚至堪称奇妙，他为什么这么说呢？

这其实和我们的思维惯性有关。人的身体由几十万亿个细胞构成，就像一台由很多零件组成的复杂机器，所以在思考身体的发育过程时，我们很容易下意识地把它和工程机械的制造过程相类比。而我们在制造一台机器时，肯定会先设想出这台机器的结构和功能，然后画出设计图，再按照图纸一步步去生产，遇到有些大工程，还需要工程师统一指挥，引导不同工种的工人合力完成，最终才能得到想要的产品。你看，光是制造一台机器就得这么大费周章，而人体又比机器复杂得多，所以生命的发育过程应该在工程机械的基础上，只会变得更加复杂才对。

但作者告诉我们并非如此。身体的发育过程与工程机械的构造过程截然不同，生命在发育时没有计划书，没有对最终产物的描述，更没有统一负责的指挥机构，所有细胞都只是在遵循简单的规则各自行事，最终却能合力形成无比复杂却又相互协调的人体。所以，这个过程看起来非常奇妙，它主要有三个特点。

一是基因并没有直接控制发育过程，而是以一种循环、分散式的方式指导身体的发育。这里的循环是说，基因是细胞的遗传物质，它可以指导合成蛋白质，但反过来，蛋白质又可以控制不同基因的表达，这就形成了一种循环。这里的分散是指，细胞内含有数万个基因，这些基因不会全部表达，不同细胞只需要根据自己的功能，激活自己所需要的基因就行，比如红细胞只需要激活红细胞相关基因，而不需要激活神经细胞的相关基因，这个过程非常分散化。所以我们说，基因指导身体发育的过程是循环、分散式的。

生命发育第二个特点是，生物分子可以自我组装，自发形成更大规模的结构。显然，螺丝和砖块不可能自我组装，而生命做到这一点的方式非常巧妙，比如基因指导生产出的不同蛋白质，在结构上会形成非常复杂的凸起或者凹陷，这时就像乐高积木一样，具有特定对应结构的其他蛋白质会自发前来与之结合，共同组装成更大的蛋白质复合体。我在文稿中附上了这种过程的图例，你一看就能明白是怎么回事儿。

生命发育的第三个特点是，生命的运转一旦开始就不能停止，绝对无法为某种需求重新开始构造。这很好理解，机器少了个零件，我们关掉机器拆开加上零件就行，但人的生命一刻都不能暂停，自受精卵形成算起，生命就只能在维持自身存活的前提下发育和维护。

基因循环、分散式的指导方式，可以自我组装，一旦开始就不能停止，这些都是生命发育过程中看起来非常奇妙的地方，那说到这里我们不禁要问一句，生命到底是用什么样的方式孕育自身的呢？

就像我们在开头时说的，生命孕育的核心规则是“适应性自组织”，也就是简单的组分通过简单的规则，自发组织形成无比复杂的生命，这就是生命发育的真正独特之处。也正因为生命如此不同，所以我们在了解生命的成形过程时，应该抛弃那些习以为常的惯性思维，用适应性自组织的全新视角去审视它。

既然适应性自组织这么重要，那接下来就让我们进一步聊聊，生命的适应性自组织是怎样实现的，它又有什么意义？

人体由细胞组成，适应性自组织自然也发生于细胞之间，所以这时候的关键是细胞间要有充分及时的信息交流，相互协调配合好，这样细胞才能彼此适应、组织到位。可以说，适应性自组织的基础就是细胞间的信息交流。

那细胞又是怎样进行信息交流的呢？作者告诉我们，在胚胎发育的各个阶段，细胞都在不断检测外来信号，既有化学信号，比如不同细胞间专门用来传递消息的蛋白质，也就是我们常说的信号蛋白，也有物理信号，比如细胞受到的外界作用力，等等。细胞在接收到这些信号后，会根据信号内容和自身状态决定下一步的行动，同时反馈出自己的信号，进一步影响其他细胞。这种信息交流时刻都在发生，适应性自组织正是通过这些交流活动才得以实现的。

那既然如此，适应性自组织到底有什么意义呢？作者认为，它对生命发育的意义主要体现在两方面：一个是增加复杂性，一个是纠正错误。我们来分别说说。

增加复杂性对胚胎发育来说至关重要。一颗受精卵要想孕育出生命，既需要通过分裂产生足够多数量的细胞，又需要通过分化产生足够多种类的细胞，而不管是分裂还是分化，本质上都在增加生命的复杂程度。不过，分裂和分化本身不是难点，难点是分裂和分化时机的选择，也就是对一个细胞来说，它是怎么知道自己接下来该干什么的？

答案是细胞没有明确规划，一切都是适应性自组织的安排。细胞在永不停歇的信息交流过程中，时刻调整着自身的状态，一旦触发某些临界点，早就设定好的特定基因就会启动，生命的复杂性也会随之增加。让我们通过一个例子，看看生命是如何在适应性自组织的影响下增加复杂性的。

受精卵形成后，不会立刻分化出不同种类的细胞，而是会先通过分裂，不断增加细胞的数量，直到分裂出32个或64个完全相同的细胞。因为这时胚胎还没有和母亲的子宫相连接，所以为了从母亲体内获得营养，得先有一部分细胞分化成和母体相连的滋养层细胞。就这样，胚胎细胞的第一次分化开始了。

这时所有胚胎细胞都要面临一个抉择，那就是该分化成外层的滋养层细胞，还是内层的内细胞团？胚胎解决这个问题的方案堪称经典，那就是从几何规律中获取信息。可以想象，当64个细胞挤成一个球的时候，位于外层的细胞会有一部分表面和外部环境接触，而位于里层的细胞则会被外层细胞完全包裹住，没有任何外露的表面。

这时候原本完全相同的细胞就出现了差异，有的细胞有外露表面，有的细胞没有，这种差异相当于一种几何信号，细胞通过探测这种信号就可以决定自己下一步的走向。拥有外露表面的细胞在探测到这个信号后，会激活一些此前沉睡的基因，让自己分化成滋养层细胞；没有外露表面的细胞则不会有这种变化，它们会形成内细胞团。

在这个过程中，胚胎不需要事先准备好任何计划，也不需要知道自己在胚胎里的精确位置，它只需要做一点，那就是探测自己是否有外露表面，然后有选择地激活特定基因，分化过程就会自然而然地完成。以此为例，适应性自组织就是通过这种方式提高胚胎复杂性的，是不是非常巧妙？

除了增加复杂性以外，适应性自组织的另一个重要意义是，它可以在胚胎发育过程中不断纠错，这同样非常重要，因为发育的过程极其复杂，各种各样的错误总是难以避免。适应性自组织的纠错功能也是通过细胞间信息交流实现的，细胞既可以感受信号，又可以发出反馈信号，信息交流有来有回，错误就可以及时得到纠正。

举个例子，毛细血管和小血管的生长就是适应性自组织不断纠错的典型代表。人体内的血管可以分为两类：一类是主要血管，它们由特定的基因调控生成，每个人体内的分布都大致一样；另一类是小血管和毛细血管，它们的分布没有确切位置，在不同人体内的差异非常大，因为它们的位置是由身体组织的实际需求决定的，是不断纠错的产物。这是怎么回事呢？

我们知道，细胞靠血液来获得氧气，它如果距离血管太远，血液里的氧气扩散不过来，那细胞就会缺少氧气。为了保障自己不缺氧，大多数细胞都能产生一种叫“缺氧诱导因子”的蛋白质，细胞一旦缺氧，缺氧诱导因子就会刺激细胞合成一种“求救蛋白”。只要血管细胞探测到求救蛋白，就会迅速朝着求救蛋白浓度最高的方向延伸，也就是往最缺氧的方向延伸。就这样，原本缺氧的组织中就会产生新的毛细血管网络。而当细胞有了充足的氧气之后，缺氧诱导因子就会迅速降解，细胞就会停止制造求救蛋白，血管网络也就不再继续生长。

你看，适应性自组织并不会杜绝错误，它的意义在于一旦出现错误，就能立刻给出纠正错误的应对措施，毛细血管就是在不断纠正错误的过程中，铺设到全身每个角落的。

这还不算完，比毛细血管更大更粗的血管，也有自我纠正错误的能力。血液在管道中流动时，管道壁会受到一种叫作剪应力的作用力，血液流速过大或者血管转弯的角度过于尖锐，都会大幅提升剪应力的强度，对血管造成破坏。所以为了防止血管受损，血管细胞会时刻探测剪应力的大小，一旦受力过大，细胞就会发育出新的血管分支来分流血液，从而减轻血管和心脏的负担。

在这里，各种血管并不需要知道自己未来该如何发育，它们唯一需要做的就是探测缺氧组织的求救信号，或者感知剪应力大小，从而随时调整生长分布。相比于记住身体内部血管分布的整张地图，适应性自组织不仅可以降低细胞所需要携带的信息量，而且有几乎无限的适应性，不用担心遇到错误，只要随时纠正就好。原本极其复杂的系统问题，在适应性自组织的简单原则下被大大简化。

适应性自组织既可以增进生命的复杂性，又可以及时纠正发育中的错误，正是凭借这两点，生命才有了成形的可能。那么接下来最后一部分，就让我们通过适应性自组织的视角，一起沿着胚胎发育的顺序，看看生命是如何自我成形的。

考虑到胚胎发育的过程极其复杂，细节极其繁多，而且还有很多至今尚无人知晓的机制，所以在这部分，我只选取生命成形过程中的几个标志性事件与你分享。

人类的所有故事都起始于一颗受精卵。就像我们刚才说的，受精卵分裂到32或64个细胞阶段时，会在适应性自组织的引导下出现第一次分化，外面的细胞成为外部滋养层，里面的成为内细胞团。

接下来的重头戏是胚胎头尾方向的确定。胚胎细胞完成第一次分化后，会逐渐发育成内部有两个腔体的球，具体构造你可以想象一个皮球，里面充满着液体，同时还横放着一个盘子，盘子把球内空间分割成一大一小两个腔体。其中的盘子就是胚胎，它分为两层，面向较小腔体的那一层被称为上胚层，它会发育成婴儿；另一层叫下胚层，它会形成胚胎的支持组织。别以为下胚层不形成婴儿就不重要了，这里可是决定胚胎头尾方向的重要场所。

下胚层形成后，它中心位置的细胞会激活一种新的基因，然后这些细胞会向下胚层边缘的某个点移动，这个点的位置是怎么确定的，科学家们目前还没有定论，但应该也是随机过程的产物，本质上也是随机的。到达下胚层边缘后，这些细胞会形成一种新的AVE细胞，并释放一种信号蛋白。上胚层离AVE细胞最近的地方，信号蛋白浓度最高，这里会发育成胎儿的头部；上胚层离AVE细胞最远的地方，信号蛋白浓度最低，这里则会发育成身体的后端。

一头一尾一旦明确，人身体的方向也就确定了下来，接下来上胚层会沿着身体的方向逐渐拉长，从圆盘形变成椭圆形，直到变成一个又细又长的原始胚胎，随后胚胎内部会出现一条神经管，人的大脑和脊髓都发源自这条管道，神经管的重要性可想而知。那神经管最初是从哪儿来的呢？其实它的前身是胚胎后背中央的那一长条细胞，这些细胞在时机成熟时会向内挤压，形成一条深沟，随后这条深沟会闭合成管状进入胚胎内部，形成最原始的神经管。这个闭合过程有点像我们捏饺子，只有用力捏，两边的饺子皮才能粘合到一起。胚胎背部剩下的细胞则会相互连接，形成平坦的后背。

不过，这一过程有时也会出现问题，那就是神经管有可能闭合失败，这会导致婴儿出生时就患有脊柱裂。那神经管为什么会闭合失败呢？原因很简单，打比方就是在闭合“捏饺子”时，用的力气太小，没能把饺子皮粘到一起。放到胚胎发育过程中，一个主要原因就是孕妇缺乏叶酸。因为叶酸能促进细胞增殖，所以缺乏叶酸就容易导致神经管细胞分裂不足，神经管闭合时没有足够的细胞把管的两侧粘连到一起，结果就是神经管闭合失败。很多研究都证明，额外服用叶酸会显著减少脊柱裂的出现。因此孕妇服用叶酸补充剂，或者多吃富含叶酸的绿色果蔬和豆类，对胎儿的健康来说十分重要。

胚胎初具雏形后，接下来的重要步骤是发育器官。虽然人体内有很多器官，每个器官也都有自己独特的功能和构造，但器官的发育机制却大同小异，都可以拆分成几个相似的步骤，比如制造管道、合并管道、让细胞聚集到一起等等。所以我们只要了解其中一种器官的形成方式，也就基本掌握了绝大多数器官形成的定式。

那么就让我们跟着作者的讲述，以肾脏为例，看看器官是如何发育的。肾的主要功能是去除身体内的毒素和积攒的废物，它会利用内部的上百万个肾单位净化待过滤的血液，同时通过管道把废物随尿液排出，所以肾脏发育的关键就是要形成大量肾单位，而这也是在适应性自组织的引导下实现的。

肾脏形成初期，其内部会出现大量紧密结合的细胞团，我们称之为间充质。间充质细胞可以分泌一种信号蛋白，一旦肾脏里的管道细胞接收到这种信号蛋白，就会迅速增殖，生长出分支管道进入间充质。这个过程和缺氧组织引导毛细血管的生长过程很像，不过不同的是，这里的肾脏管道细胞也会反过来，对间充质细胞发出另一种信号，在新的信号刺激下，间充质细胞也会增殖分化，并形成一个个具体的肾单位。正是无数个这样的肾单位和管道网络，共同构成了肾脏。

这个过程最神奇的地方在于，间充质和管道的生长都依赖对方发出的信号，任何单独一方都无法独自完成生长过程。这么做的好处非常明显，那就是可以让两种细胞的比例始终保持一致，如果某种细胞不小心生长得太多或太少，那另一种细胞就会立刻跟上对方的节奏。肾脏的发育过程再次证明，适应性自组织会给胚胎发育带来高度的适应性。

说到肾脏，我们还得强调一点，那就是孕妇一定要有充足的营养摄入。以肾脏为例，它在发育时对母体的营养状况极其敏感，动物实验已经证明，如果母体在怀孕期间得到的食物不足，那它们后代肾脏内的肾单位数量就会明显减少。这种后果经过一系列复杂的生理传导，最终会表现为慢性高血压的症状，而慢性高血压又会增加中风、心脏病和肾损伤的发病率。仅凭这一个案例我们就能明白，孕妇保证充足的营养摄入有多么重要。

说完了身体内部的器官，接下来让我们再来说说外部，看看四肢是怎么发育的。大约在母亲怀孕的第24天，胚胎躯干的主要结构已经成形，这时胚胎两侧各会出现2个小小的突起，随着细胞的不断增殖，这些突起会逐渐伸长形成四肢。因为细胞增殖主要发生在四肢的尖端，增殖出的新细胞会被尖端不断留在身后，并逐渐发育成熟，所以以手臂为例，不同结构的形成顺序是先形成上臂，后形成下臂，最后形成手部。四肢上不同位置的细胞在发育时，同样会受到多种信号蛋白的调控，这和适应性自组织指导器官发育时非常相似。

通过四肢发育的相关案例，我们还可以明白，为什么医生在给孕妇用药时需要格外谨慎。四肢在生长时，为了保证正常的营养供给，血管必须跟随四肢快速生长，血管的生长进程一旦被破坏，肢体细胞就会因为缺乏营养而减缓增殖，最终导致四肢短小或畸形。上世纪五六十年代人们曾发现，一种名为沙利度胺的镇静剂和消炎药，可以有效抑制孕妇怀孕时的不适反应，所以当时孕妇很流行使用沙利度胺。但悲剧的是，这种药物最终造成了大量新生儿发育畸形，很多新生儿甚至根本没有四肢，只有小小的手或者脚直接连在身体上。

后来人们才发现，原来沙利度胺会分解产生一种抑制血管生长的分子，如果母亲在胎儿四肢发育的关键期服用了这种药物，胎儿的四肢就容易因血管不能及时生长而发育失败。这个案例深刻提醒我们，孕妇在使用药物时确实得万分谨慎。

最后让我们说说胚胎性别的决定机制。我们知道，男性和女性的根本差异来自他们体内性染色体的不同，男性的性染色体由一条X染色体和一条Y染色体组成，而女性则有两条X染色体，所有的男女差异，都来自男性这条Y染色体上的特定基因。其实胚胎天然地拥有发育成雌性的倾向，在基因的安排下，生殖腺会默认发育成卵巢。但在男性胚胎体内，Y染色体上一个名叫SRY的基因会在生殖器官发育前被激活，并开启一系列反应。这些反应会强烈抑制雌性生殖器官的发育，同时刺激胚胎发育出雄性生殖器官。

而且为了保证胚胎性别的唯一可靠性，我们的身体里还包含着一套性别保险系统，它是这样工作的：一旦SRY基因开始表达，它就会激活另外两种信号蛋白，这两种蛋白会相互刺激对方的表达，循环一旦开启就无法停止，这就能保证，雄性生殖器官一旦开始构建就没有回头路。不难看出，胚胎发育该灵活时有灵活性，该有原则的时候也绝不马虎。

不过，这套性别决定机制固然强大，但如果遇到环境因素的强力干扰，也可能会出现问题。比如近年来欧洲已经禁止在塑料玩具中添加邻苯二甲酸酯，因为人们发现，如果母亲暴露在含有这类物质的环境中，可能会生下男性性征发育不良的儿子。这也提醒我们，胚胎发育过程十分复杂，容易受到外界环境的影响，我们应该对周围环境中作用未知的化学物质保持警惕。

好，说到这，这本书的精华内容就讲得差不多了，简单总结一下。

首先我们讨论了，为什么生命的发育过程非常独特，甚至有些奇怪。作者告诉我们，生命的发育过程与工程机械的构造过程截然不同，所以看起来有些奇怪，它主要有三个特点，一是基因并没有直接控制发育的过程，而是以一种循环、分散式的方式指导身体的发育，二是生物分子可以自我组装，三是生命一旦开始就不能停止。生命发育的核心规则是“适应性自组织”。

接下来我们详细谈了，生命的适应性自组织是怎样实现的，它有什么意义。适应性自组织主要靠细胞间的信息交流来实现，它对生命发育的主要意义体现在两个方面，分别是增加复杂性和纠正错误。正是通过适应性自组织的引导，生命才能凭借一些简单的组成部分和一些简单的规则，构建起极其复杂的人体。

最后我们通过适应性自组织的视角，聊了聊生命自我成形的主要过程。无论是胚胎头尾方向的确定、神经管的构造、器官和四肢的形成，还是性别的分化，适应性自组织的力量始终贯穿其中。

经典遗传学着重研究相关性，特别是某种基因突变和生物性状之间的相关性，所以我们经常可以看到诸如“智力基因”“身高基因”“双眼皮基因”这样的表述，这很容易让人觉得基因和身体性状之间的关系是一一对应的。但这完全是一种误解，通过刚才的讲述你应该已经明白了，生命根本就没有设计图，在适应性自组织的指导下，基因决定的只是生命成形的过程，它不在乎结果。

更进一步讲，适应性自组织还能给我们在工作和生活上以很多启示。比如面对非常复杂的工程项目时，制定一个好的规则往往比事无巨细的指挥更有效，因为指挥总难免有失误或遗漏，而规则却可以时刻指导我们下一步到底该干什么。既然适应性自组织的智慧可以造就你我，我相信，它被我们借鉴后自然也可以造福我们更多。

以上就是这本书的精华内容。这本书的全版电子书，也已经附在文稿末尾。你可以点击音频下方的“文稿”查看全文和脑图，你还可以点击右上角的“分享”按钮，把这本书免费分享给你的朋友。恭喜你，又听完了一本书！

划重点

1. 生命的发育过程有三个特点，一是基因并没有直接控制发育的过程，而是以一种循环、分散式的方式指导身体的发育，二是生物分子可以自我组装，三是生命一旦开始就不能停止。生命发育的核心规则是“适应性自组织”。

2. 正是通过适应性自组织的引导，生命才能凭借一些简单的组成部分和一些简单的规则，构建起极其复杂的人体。无论是胚胎头尾方向的确定、神经管的构造、器官和四肢的形成，还是性别的分化，适应性自组织的力量始终贯穿其中。

3. 生命根本就没有设计图，在适应性自组织的指导下，基因决定的只是生命成形的过程，它不在乎结果。