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杨晗之

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生命的形状是如何形成的

2013-03-25 10:39:21

生命的形状是如何形成的

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如果你养过植物,有没有好奇过哪里会冒出新叶片?即使每天盯着它看,你也找不到萌芽的迹象。直到有一天,你在不经意间发现,幼叶已经长出来了。原来一切都在暗涌中。

 

生物学中最奇妙的事情莫过于,每种生物都有其特有的形状。它开始于一个单细胞,经历岁月的洗礼,这个细胞成长为一个灿烂的独特的生命形态,比如参天大树、灵动水母以及勤劳致富的我们。这个过程似乎理所当然,殊不知它是何等卓越。

在感慨生命的魅力时,我们是否想过,每种生物为何如此长相?如果把它看成一道脑筋急转弯,你可以回答,秘密写在DNA里。但是,对于科学家们来说,这个答案过于宽泛。在基因技术迅猛发展的时代,通过研究怪异的突变体,比如触角处长腿的果蝇,我们已经发现了许多种与发育相关的基因。但是,这远远不够。

此时的我们正如一群在外星飞船上得势的孩子,争先恐后地寻找飞船的开关。我们或许能够开动它,但是我们并不知道它的工作原理。如果它出现故障,我们肯定无从下手,更别提重新搭建一艘外星飞船了。

类似的,尽管我们知道哪些基因指导发育,但是,这些指令如何使生物拥有各自的形状,我们知之甚少。这或许是生物学中最大的谜团。值得庆幸的是,在新技术的协助下,我们已经取得了一些进展。

 

动物肢体如何延长

自古代,诸如亚里士多德之类的思想家就已经思考过发育的秘密。生物学家则从20世纪下半叶开始介入。20世纪60年代,生物学家路易斯·沃伯特开始研究胚胎中某种化学分子的浓度梯度是如何影响身体发育的。他推测,胚胎的不同部位受到不同浓度的成形素的刺激而表达不同的基因,从而长出不同的器官。

接下来的几十年,他的想法得到了验证,人们找到了编码成形素的基因。生物学家甚至能够通过改造若干个控制身体形状的基因,得到一些奇形怪状的生物。只是,生命的形状如何形成,还是个谜。以动物的肢体为例。要长出肢体,比如小鸡长翅膀或鼹鼠长爪子,首先要生出一个细长的附属器官。数年来,生物学家假设,这类肢体形状的产生,是因为肢体顶端的细胞分裂快于基部,但是无人证明它的对错。

最近,西班牙巴塞罗那基因组调控中心的系统生物学家詹姆斯·夏普正在检验这个想法。他的研究小组通过捕捉小鼠正在生长的肢体的立体图像,记录肢体细胞分裂的速度。研究数据显示,肢体顶端细胞分裂的速度是肢体基部细胞分裂速度的两倍。计算机根据该数据搭建的模型动物显示,如果按照这样的分裂速度,肢体只能像气球膨胀一样生长而非延长生长。所以,细胞分裂的速度差不能解释肢体的细长形状。

夏普提出,细胞可能主动沿着一个特定方向活跃生长,从而形成细长的肢体。人们早已知道,细胞运动在动物发育中占据重要地位。而且他的研究小组注意到,小鸡肢体细胞有长长的突起,被称为丝状伪足,以帮助细胞爬行。丝状伪足通常排列在组织最外层,远离顶端,与肢体长轴形成合适角度。如果细胞沿着这个方向迁移,它们便会挤压外层邻居,把它们推向肢体延伸的方向。

 

植物叶片在哪萌芽

回到文章开头的问题,究竟叶片会出现在茎的哪个部位?关于这个问题,科学家有了一定的发言权。与动物胚胎发育一样,植物叶片的生长同样受到高浓度成形素的诱导。此时,植物中的成形素即为生长素。那么,什么指导生长素聚集在正确的部位呢?第一个线索来自一株“光杆司令”,这株突变的植物的茎光秃秃的,不长叶。它缺少一种PIN1蛋白,PIN1蛋白负责把生长素泵出细胞。

2003年,瑞士伯尔尼大学的克里斯·库勒梅尔和同事给拟南芥的PIN1蛋白贴上荧光标记。他们发现,PIN1蛋白聚集在细胞一端,而该部位将来会长出叶片。这表明,PIN1蛋白把生长素泵到叶片生长的位置。

那么,细胞如何知道叶片生长的位置,从而命令PIN1蛋白把生长素泵到那里呢?研究小组认为,它们并不知道。研究发现,PIN1蛋白的运输行为如同金属被磁铁吸引一般,PIN1蛋白被生长素吸引到细胞的一端。每个细胞都遵循一个同样的简单原则:哪个部位的生长素多,PIN1蛋白就被吸引到最靠近这个部位的细胞一端,然后把生长素泵出细胞。于是,这个部位聚积的生长素最多,从而刺激叶片的生长。

随着茎的生长,新的生长素聚积点形成,周围细胞一哄而上,纷纷供应自己的生长素,再次形成一个生长素高峰位点,又一个叶片即将发育。根据这个简单原则搭建的模型植物,能够长出规则有序的叶片。改变模型植物的参数,则得到不同的叶片排列方式,犹如自然界中植物叶片的多样排列方式。

类似的原则还掌控着叶片的形状,比如如何长出锯齿状的边缘。英国牛津大学的发育遗传学家米尔多斯·特尼特斯和同事发现,拟南芥叶片突起的位置,植物生长素的浓度最高;凹口的位置,另一种抑制生长的激素的浓度最高。他们的研究结果显示,在PIN1蛋白的协助下,叶片边缘的不同位置交替出现高浓度的生长素和另一种抑制生长的激素,从而形成锯齿状的边缘。

 

设计生物有无可能

距离我们完全理解生命形状的秘密还有很长的路要走。现在,生物学家能够通过简单的计算机模型模拟植物成形的过程。至少从理论上,这些模型未来帮助我们设计特定形状的植物。

几千年来,人们已经在影响作物、花、鱼、狗、马等许多生物的形状。如果想要一只短腿的狗,他们让两只短腿的狗交配。但是,这些工作尚在摸索中,并不知道潜在的机制。成形素和生长素的发现只是很小的成绩,更大的发现还有待进一步的发掘。

当生物学家洞悉更多生命形状的形成机制,我们不难想象,富有创意的生物世界将被人们创造出来。英国谢菲尔德大学的安德鲁·弗莱明和同事已经通过基因改造拟南芥,使其按照人们预期的方式生长,叶子宛如碗状。改造动物则面临更大的挑战。但是,经过基因改造的宠物,比如荧光“金鱼”已经上市。

当然,这里难免涉及道德伦理。这个美梦可能创造出恶魔。传统杂交已经验证了这个道理:一些动物之间杂交的命运已经注定,比如,斗牛犬呼吸比一般狗要困难一些。即使让马儿长翅膀,它们也飞不起来,它们甚至都不能跑。技术是把双刃剑,人类可以选择正向意义的改造方向。

而更多的研究人员只是好奇生命形状的美妙,寄希望于了解和洞悉生命形状的奥秘。1898年,雨果·冯·霍夫曼斯塔尔写道:“如果我知道树叶是如何生长的,我将永远沉默,因为我已经满足。”一个多世纪过去了,我们还没有达到这个境界,但是我们正在逐步靠近。

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