我看進化發(fā)育生物學王寅進化生物學素來都是生命科學殿堂中最為燦爛的寶石之一。為何生物之間是不一樣樣的？生物是如何形成的？能否存在某種規(guī)則來控制生物的進化模式?人們對于進化的興趣素來都是那么激烈。達爾文提出的進化論在過去的兩個世紀中不只改變了整個生命科學界的容貌，它還改變了整個人類社會的世界觀。至此進化論與無神論逐漸被大多數(shù)人接受并跟著科學的發(fā)展而日趨眾望所歸。但進化理論并無逗留在達爾文的階段，長時間以來，進化不停與新產(chǎn)生的學科交融，新的見解與理論不停豐富了人們對于自然界的見解，進化的遺傳基礎、進化的動力、微觀與宏觀進化，進化不停深入到生命科學的每一個層次，有人說，走開了與進化的聯(lián)系，生命科學將毫沒心義。固然這話說得有些過于偏執(zhí)，但毫無疑問，生命科學不再是限制在某點某刻的靜止科學，而是生命的時空發(fā)展變化的科學。在生命科學領域，另一研究生命發(fā)展變化的分支即是發(fā)育生物學，與進化研究集體演化歷史不一樣樣，發(fā)育生物學研究的是個體演化的歷史。我們曾一度以為個體發(fā)展史就是集體發(fā)展史的縮影，自然當時的憑證和見解都在今日看來很天真，但是如何在集體演化中看個體演化的過程，從內(nèi)容和研究意義來說都將是令人歡樂的“bigone。這”個想法很早就有科學家說起，但長久以來發(fā)育生物學和進化生物學的研究都是兩條平行線，有時的交點常是比較特其他例子，在理論和系統(tǒng)的商討上并無打破。但此刻，跟著分子生物學和遺傳學研究手段的流行與發(fā)展，發(fā)育生物學和進化生物學在分子水平上已經(jīng)可以相互交融一致，并形成了進化發(fā)育生物學（evo-devo）這一新興學科。發(fā)育生物學和進化生物學的交叉交融是一件很自然的事情。進化生物學家希望完好弄清楚生物是如何演化成此刻所擁有的形態(tài)的，而這正好可以從控制生物體形態(tài)發(fā)育的系統(tǒng)中獲取答案。而發(fā)育生物學家又想知道基因的表達和功能上的變化是如何致使生物的身體大小和形狀的改變的。當人們試圖經(jīng)過對個體的控制發(fā)育的基因的表達的研究來研究生物集體是如何進化的時候，進化發(fā)育生物學其實就已經(jīng)出生了。一、初期的進化發(fā)育觀：初期的發(fā)育生物學是從對胚胎分裂的察看開始的。在此過程中出生了一系列經(jīng)典胚胎學實驗：以細胞培育方法研究細胞之間的相互作用，胚胎引誘實驗以及細胞核移植等。鑒于經(jīng)典發(fā)育生物學對于胚胎的研究，進化生物學和發(fā)育生物學第一次一致了起來。比方，比較胚胎學家在19世紀初發(fā)現(xiàn)硬骨魚幼魚時期的尾和魚類化石的成體的尾十分相像。在幼魚向成體轉(zhuǎn)變的過程中，幼魚的尾也逐漸變?yōu)榇丝痰挠补囚~尾。初期人們關注的問題主要有兩個：一個世代中生物的個體變化，即生物的個體發(fā)育；不一樣樣世代的生物表現(xiàn)出的變化，即種群的進化與發(fā)展。在Evo-Devo的研究中，人們關懷的就是這兩個問題之間的聯(lián)系。達爾文最早認識到個體胚胎發(fā)育對于研究生物進化的重要性，他在《物種發(fā)源》中寫道：胚胎是動物體修飾較少的階段，它在必然程度上反應了該物種先人的某些構造特色。1828年赫克爾提出了“生物發(fā)生律”（biogeneticlaw）：較高一級動物的胚胎不重現(xiàn)有關的較低一級動物的成體的形態(tài)，但在其胚胎發(fā)育過程中存在著與有關的較低一級動物胚胎相像的階段。但“生物發(fā)生律”還但是假定。與此相對的，馮貝爾在實驗察看的基礎上提出了馮貝爾法例：不一樣樣種類的生物在發(fā)育過程中，各動物共有的構造先發(fā)生，獨有的構造在共有構造的基礎上發(fā)生。固然達爾文并無使用胚胎學研究的資料來對系統(tǒng)發(fā)育進行系統(tǒng)圓滿的研究，但很多今后的學者卻在《物種發(fā)源》中提到的動物胚胎發(fā)育與進化的關系的思想的影響下開始了他們的研究工作。Wilson在1898年發(fā)現(xiàn)，扁蟲、軟體動物和環(huán)節(jié)動物的相同的器官都是本源于卵裂過程中的同一組細胞。同年Lillie發(fā)現(xiàn)貽貝在卵裂期時可能會因為環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變，最后發(fā)育成其他一種形態(tài)的個體——鉤介幼蟲。于是對于發(fā)育和進化的研究重現(xiàn)了兩種方法：發(fā)現(xiàn)各樣不一樣樣動物之間的基本一致性和發(fā)現(xiàn)各樣動物適應特定環(huán)境的發(fā)育變化。初期對于發(fā)育生物學和進化生物學的研究大多逗留在胚胎階段。所獲取的成就其實不可以解說生物體發(fā)育的系統(tǒng)。以我們此刻的見解，我們所希望弄清的是從控制生物體形態(tài)發(fā)育的調(diào)控系統(tǒng)中來獲取研究生物系統(tǒng)進化的資料。但是因為實驗手段的限制以及發(fā)育生物學家和進化生物學家研究興趣相互偏離，這兩門學科之間的聯(lián)系也逐漸模糊了。直到分子生物學與遺傳學實驗手段的流行，基因序列的數(shù)據(jù)開始累積，人們對于發(fā)育的分子系統(tǒng)的認識也在逐漸豐富，對于生物機體發(fā)育的基因調(diào)控的研究也獲取了強有力的技術支持。二、發(fā)育生物學和進化生物學的臨時性分別發(fā)育生物學和進化生物學的獨立發(fā)展始于19世紀末。Roux于1894年宣布了用實驗方法即熱針燙死蛙胚部分分裂球的方法研究發(fā)育機理的文章，開創(chuàng)了用實驗手段研究胚胎發(fā)育的時代。同時期，在世界上一些有名的海濱勝地，如意大利那不勒斯和美國伍茲霍爾等地先后成立起了大海生物實驗站，吸引了大量胚胎學家研究各樣大海動物胚胎的細胞譜系以及細胞發(fā)育命運。最先對細胞譜系的研究是描繪性的，因此，人們不可以防范地需要研究細胞的最后命運。于是，很自然地，胚胎學家開始使用實驗方法研究細胞發(fā)育命運。比方經(jīng)過拿出分裂球上某些細胞或部分的方法來研究所除掉部分在胚胎發(fā)育中的作用。從20世紀初開始，胚胎學家對胚胎如何發(fā)育比對胚胎如何進化更感興趣，因此對胚胎發(fā)育自己進行了大量實驗研究，而對系統(tǒng)發(fā)育逐漸失掉了興趣。直到近來幾十年，跟著基因見解詳細化，基因克隆的發(fā)展和序列測定資料的不停豐富，人們對那些在發(fā)育中起重要作用的基因的研究也逐漸深入。我們可經(jīng)過比較序列從而找出同源基因，研究這些同源基因在發(fā)育中的作用。這樣發(fā)育生物學和進化生物學在基因水平上由分別狀態(tài)從頭進入聯(lián)合狀態(tài)。三、當前的進化發(fā)育生物學Hall在2000年提出了他以為在Evo-Devo的研究中較重要的五個方面：胚胎發(fā)育的發(fā)源與進化；對發(fā)育過程的改正是如何致使新性狀的產(chǎn)生的；在生物的進化中出現(xiàn)的發(fā)育的可塑性和對于環(huán)境的適應性；環(huán)境是如何影響發(fā)育從而調(diào)控進化的；趨同進化的發(fā)育基礎與系統(tǒng)。很顯然，Evo-Devo所波及到的學科有：生態(tài)學、分子生物學、遺傳學及古生物學等。甚至有可能以Evo-Devo為基礎在21世紀形成新的綜合性生物學。1.DNA水平的發(fā)育進化生物體的發(fā)育是基因中的遺傳信息借助蛋白質(zhì)均分子以表現(xiàn)型的方式表達的結果，而生物進化時所產(chǎn)生的表型變化的本源就是基因及其調(diào)控序列的變化。在與發(fā)育有關的基因中，人類研究地對比較較透辟的就是同源異型基因（Hox）。Hox基因是一類與動物發(fā)育有關的基因，它們在不一樣樣物種中高度相像，因此被稱為“同源異形基因”。此中有幾類同源異形基因（比方Hox基因）的生物學功能在進化中高度守舊，但在不一樣樣的分類單元中，基因的數(shù)目、在染色體上的擺列組織形式和基因表達等方面卻有著細微的差別。有人以為，同一類同源異型基因在不一樣樣的分類單元中的數(shù)目和表達的差別與這些動物軀體設計的進化有關。哺乳動物的Hox基因是同源異型基因家族中的一種，這類Hox基因與果蠅Hom-C基因以及文昌魚的Hox基因同源。這些基因的功能可以在不一樣樣的物種體內(nèi)實現(xiàn)表達，代替該物種自己的Hox基因的功能。Malicki等證人明，將人的Hox4B基因?qū)牍塂eformed（Dfd）缺點型胚胎后，Dfd基因的功能可以被模擬代替。依據(jù)實驗結果，人們推測，Hox基因的表達圖式在整個動物門類中是恒定的。比方，在果蠅前后軸圖式確實立過程中，一個同源異型基因caudal的表達產(chǎn)物Caudal蛋白的作用是引誘果蠅后端地區(qū)的形成。但人們發(fā)現(xiàn)，Caudal蛋白相同可以引誘小鼠和線蟲形成后端地區(qū)。圖1.原口動物和后口動物Hox基因簇比較Hox

基因在染色體上成簇散布。每個簇中的

Hox

基因在染色體上的空間排列次序與它們在發(fā)育過程中的時間表達次序圓滿一致，即圓滿依據(jù)表達的先后次序從3’~5依’次排開。但是前面提到的三各樣類動物的Hox基因所包括的基因簇其實不一樣樣：在果蠅（無脊椎動物）中，8個Hom基因只形成一個基因簇，相同的，原索動物文昌魚中的10個Hox基因也只構成一個基因簇，但在哺乳動物中，如小鼠和人的Hox基因就有4個基因簇，分別散布在四條染色體上(圖1)。依據(jù)以上這些實考憑證，我們可以推測，Hox基因的先人只有一個基因簇，在由無脊椎動物向脊椎動物進化的過程中，較低等的脊椎動物，如文昌魚依舊保存了先人基因組的特色。此刻我們知道，在低等脊椎動物向高等脊椎動物進化時，Hox基因簇發(fā)生了兩次復制，今后整個Hox基因簇又發(fā)生縱向重排，最后產(chǎn)生了四個Hox基因簇。Hox基因的研究終歸向我們解說了哪些問題呢？就當前的研究結果來看，最少說了然以下兩個個問題：不一樣樣生物之間的形態(tài)構造差別主假如由不一樣樣的胚胎發(fā)育過程產(chǎn)生的，通過研究比較不一樣樣生物胚胎發(fā)育的調(diào)控基因的構造作用以及調(diào)控系統(tǒng)，可以說明物種的演化過程與方式。在圖1中我們可以知道，從低等生物(果蠅)到高等生物(哺乳動物)Hox基因簇的基因數(shù)目的變化憂如已經(jīng)不可以依據(jù)經(jīng)典進化論所描繪的突變、重組、選擇、間隔等過程來實現(xiàn)了。當先人們以為這些是經(jīng)過一種特其他系統(tǒng)形成的，即經(jīng)過染色體建的不等交換產(chǎn)生重復、插入、畸變、轉(zhuǎn)座等變化，使整體基因發(fā)生擴展并經(jīng)過易位等方式發(fā)生在不一樣樣的染色體上，從而逐漸構成高等生物復雜的形態(tài)發(fā)生調(diào)控網(wǎng)絡。人們稱這類系統(tǒng)為“分子驅(qū)動(moleculardrive)?！睂ox基因的研究，精準的解說了造成物種間形態(tài)差其他分子系統(tǒng)，將進化理論成立在了實實在在的實驗基礎上，而不是達爾文時代的察看推想與猜想。但是，對同源異型基因的研究還剛剛起步，還有很多現(xiàn)象是我們沒法解說的。比方，同源基因有時其實不像前面所說的那樣可以在功能上相互代替，它們的功能甚至在某些時候是相反的。比方果蠅中的sog基因和蛙中的chordin基因，它們是同源基因，并且都與胚胎的背腹面形成有關。不論向果蠅體內(nèi)注射sog基因的mRNA仍是chordin基因的mRNA，都可以促使果蠅細胞發(fā)育成腹面，但在脊椎動物中sog基因和chordin基因卻使細胞發(fā)育成反面。為何會發(fā)生同一個基因在不一樣樣的生物體內(nèi)產(chǎn)生不一樣樣的效應的現(xiàn)象呢？這個跟進化的程度有什么樣的關系嗎？這些都是值得研究的問題。2.同源發(fā)育門路除同源異型基因外，這是進化發(fā)育生物學在過去的10年中另一件激感人心的發(fā)現(xiàn)。此刻已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三條同源發(fā)育門路：chordin/BMP4、Hedgehog/Wingless以及RTK-Ras信號傳導。Chordin/BMP4門路在動物界是廣泛存在的：chordin/short-gastrulation蛋白都能對BMP4/decapentaplegic蛋白產(chǎn)生控制效應，使得受chordin/short-gastrulation保護的外胚層變?yōu)樯窠?jīng)外胚層。因為這類門路擁有廣泛性，因此果蠅中的decapentaplegic能代替非洲爪蟾的short-gastrulation引誘爪蟾形成腹部。chordin/BMP4門路的廣泛存在性比較，Hedgehog/Wingless門路的“領地”就少多了，它只存在于昆蟲和脊椎動物的副肢發(fā)育過程中。Wingless基因（wg）hedgehog基因（hh）在果蠅中都是體節(jié)極性基因，wg在每一副體節(jié)的最后一列細胞表達，并由在每一副體節(jié)的最前端第一列細胞表達的hh基因編碼的一種分泌蛋白保持。它們將果蠅胚胎的體節(jié)分化成更細的條紋，把7條較寬的條帶變?yōu)?4條較窄的條帶。最新發(fā)現(xiàn)的是RTK-Ras信號傳導門路，即受體酪氨酸激酶-核苷酸聯(lián)合蛋白Ras（receptortyrosinekinase-nucleotidebindingproteinRas）。這一門路存在于整個動物界中：Ras1蛋白經(jīng)過將其上的GDP變換成GTP來將G蛋白激活，被激活的G蛋白將激活信號經(jīng)過一些列蛋白激酶傳達給細胞核。在線蟲陰門、哺乳動物表皮以及果蠅終端分節(jié)過程中都起著決定作用。不一樣樣動物的RTK-Ras作用系統(tǒng)有時極度相像，很多組分可以在異種動物之間交換，如人的GRB2基因可以履行與線蟲Sem-5基因相像的功能。但同時，相同的發(fā)育門路的作用目標在不一樣樣的生物體內(nèi)又有巨大的差別，如RTK-Ras門路在一種動物體內(nèi)能激活細胞分裂基因，而在另一種生物體內(nèi)卻激活形成光感覺器的基因。四、Evo-Devo存在的一些問題進化發(fā)育生物學中存在一些急需解決的問題，第一就是當前還沒有找到特別適合的模式生物(modelorganisms)?，F(xiàn)有的模式生物都是從傳統(tǒng)發(fā)育生物學的研究中繼承下來的，固然是研究得比較好的模式，但要研究進化問題需要周邊種間的比較以及在進化歷程中處于比較特別地位的物種。我們的目的是既要發(fā)現(xiàn)一般性法例(law-likegeneralities)又要解說生物的特色(uniqueparticulars)。因此在選擇模式生物時，需要考慮到以下幾點：(1).確定模式生物最先的特色以及奇異異點的進化(identifyingprimitivecharacterstatesandtheoriginofnovelties)。這是Evo-Devo研究中最重要的要求之一。(2).研究的實質(zhì)操作可行性和模式生物的本源(practicalityandresources)。(3).模式生物各自的特色以及模式生物之間的共性(idiographicsandnomothetics)。果蠅在進化和發(fā)育中都是比較不錯的模型，文昌魚因為進化特別地位，處于脊椎動物進化過程初級階段，它們可能是研究Evo-Devo比較好的模型，但這但是推測，同時上邊所給出的選擇模式生物的建議也其實不是標準，全部都還需要在研究和研究中證明。另一個問題就是：Evo-Devo當前但是限制在個別例子中，但是要想獲取發(fā)展就必然對整體的系統(tǒng)和規(guī)則進行研究，但這需要有知識的逐漸累積才會在理論上產(chǎn)生質(zhì)的飛奔。再者，有一部分對于evodevo的研究走開了分子角度的研究，但是從化石和演化歷史中找尋憑證。自然這對于我們認識生物發(fā)生是有很重要的意義，但要想從系統(tǒng)上解決進化發(fā)育問題，就還得從最基礎的角度出發(fā)，對基因進行研究。五、我感興趣的一些問題1.對于基因的守舊性。依據(jù)先人提出的馮貝爾法例，不一樣樣物種的共有構造先發(fā)生，特有構造后發(fā)生。那么能否可以理解為，控制共有構造發(fā)生的系統(tǒng)與調(diào)理特有構造發(fā)生的系統(tǒng)比較是較守舊的呢？假如是這樣，在同源基因的調(diào)控中卻出現(xiàn)了“不友善”的現(xiàn)象：控制體節(jié)發(fā)生的基因除前面提到的hh基因和wg基因外，還有engrailed(en),cubitusinterruptus(ci),fused(fu),armadillo(arm),patched(ptc)和pangolin(pan)。en基因與前面所說的wg基因是最重要的兩個體節(jié)極性基因segmentpolartitygene）。與wg基因的表達部位相對，en基因在每一副體節(jié)的最前端一列細胞中表達，并直接致使節(jié)肢動物身體出現(xiàn)體節(jié)分界的條紋。它在不一樣樣的節(jié)肢動物中表達會使動物的體節(jié)擁有不一樣樣的數(shù)目和密度，而正是因為體節(jié)的變化才造成了節(jié)肢動物的進化，從而生成各自的特有構造。這樣看來，這些基因和調(diào)控系統(tǒng)應當是不守舊的才對，不然生物怎么進化呢？2.對于性染色體的進化。最原始的單細胞生物是沒有雌雄性別之分的，跟著進化的進行，物種有了性別之分，并出現(xiàn)了有性生殖。有性生殖相對于無性生殖來說，對于生物繁衍后輩是有優(yōu)勢的，因為生殖過程中出現(xiàn)的基因重組使后輩繼承了父親母親兩方的基因，這樣就造成了子代基因相對于親代基因的多樣性，子代就有可能更好地適應環(huán)境。那么，決定性其他性染色體的出現(xiàn)自然也就是一種進步了。大家比較熟習的性別決定系統(tǒng)是XY決定系統(tǒng)。近來人們發(fā)現(xiàn)，與X染色體連鎖的基因有“逃離”X染色體的趨向：在雄果蠅體內(nèi)由X染色體連鎖基因產(chǎn)生的大量節(jié)余轉(zhuǎn)座基因進入常染色體，產(chǎn)生了不均衡散布。而由常染色體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)座子也更多地插入常染色體而不是X染色體。這表示基因都在防范成為X染色體連鎖基因。因此，在果蠅體內(nèi)，X染色體和常染色體之間的轉(zhuǎn)座是一個不均衡的過程。那么是什么致使了這類不均衡的轉(zhuǎn)座呢？有可能是因為對于那些在X染色體失活時期表達的基因來說，X染色體在精子產(chǎn)生的初期失活對于X染色體自己和常染色體所造成的選擇壓力不一樣樣。因此在X染色體失活時期，常染色體轉(zhuǎn)座功能基因比X連鎖的基因更有優(yōu)勢。假如是這樣，那么與X染色體連鎖的基因最先為何會選擇X染色體來“定居”呢？假如X染色體對于這些基因來說其實不是一個優(yōu)秀的載體，那么X染色體又是怎么進化而來的呢？莫非但是是為了性其他產(chǎn)生？并且更奇異的是，因為這類不均衡的轉(zhuǎn)座，當前果蠅的很多與雄性形狀有關的基因都定位在了常染色體上，這樣會不會造成性染色體的退化甚至消逝呢？這些也是生物在進化的表現(xiàn)嗎？3.對于干細胞。人們素來可以像改換機器部件相同來改換人體的已被破壞的器官。固然此刻可以進行異體器官移植，但因為免疫的存在，接受移植者必然為此付出巨大的代價。因此人們將目標轉(zhuǎn)向了自體的細胞，希望能經(jīng)過細胞組織培養(yǎng)利用干細胞來培育出所需要的組織與器官。但如何讓干細胞依據(jù)人們的意向朝特定的方向分化呢？重點就在要充分認識干細胞的形成以及由干細胞分化成某個特定器官的系統(tǒng)。但這此中存在的問題太多了：高度分化的精子與卵子聯(lián)合今后形成的受精卵為何又變?yōu)榱巳芗毎?？在胚胎發(fā)育過程中，大多數(shù)細胞都分化成特定的細胞，為何恰幸虧某些地方比方臍帶血中又保存了多能干細胞呢？即便我們認識了從干細胞到某些組織器官的系統(tǒng)與過程，那我們又應當如何使多能干細胞返回全能狀態(tài)，從而獲取其他一些組織器官呢？參照文件：BowlerPJ.Life’sSplendidDrama.EvolutionaryBiologyandtheReconstructionofLife’sAncestry1860-1940.1996,Chicago,TheUniversityofChicagoPress.CoreyS.Goo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