【1231-10000本】生命的成形
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你好今天我来为您解读的这本书名字叫做《生命的成型》副标题是《从单一细胞到复杂身形》

英国哲学家诗人克尔金治曾经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气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型的过程的话好像确实和精彩二字沾不上边啊

不过这本书告诉我们生命的成型过程极其的复杂精彩甚至看成是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型的呢不同细胞是怎么知道该在什么时候分裂或者是分化的呢人体内的细胞数量是人和系当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呢如果这些问题真的摆在你我面前恐怕很难有人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

今天的这本书聚焦的就是这个问题他告诉我们生命和我们熟悉的工程机械完全不同他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

指的就是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型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当中的某些化学成分等等

本书的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的高度重合主要就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 篇的研究论文,出版或者是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声的主编。由戴维斯来为我们介绍生命的成型过程,实在是再合适不过了。

接下来我就通过三个部分来为您介绍本书的内容首先我们一起来讨论一下为什么说生命的发育过程非常的独特甚至堪称是奇妙接下来让我们仔细的聊聊生命的适应性自组织是怎样实现的它有什么意义呢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型的

首先让我们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的独特某些方面甚至是堪称奇妙

他为什么这么说呢这其实和我们的思维惯性是有关人的身体有几十万一个细胞构成就像是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的把它和机器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机构和功能,然后画出设计图,再按照图纸一步一步的去生产。遇到有些大工程,还需要工程师统一的指挥,引导不同工种的工人合力完成,最终才能得到想要的产品。

你看啊光是制造一台机器就得这么大肥周章而人体又比机器复杂的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

但作者就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遵循简单的规则各自行事最终却能合力的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的奇妙它主要有三个特点

第一就是,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。这里的分散指的就是,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了比如说红细胞只需要激活红细胞相关的基因而不需要激活神经细胞的相关基因这个过程非常的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就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的这一点的方式非常的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是凹陷这时就像是乐高积木一样具有特定对应结构的其他的蛋白质会自发前来与之结合

共同组成更大的蛋白质复合体生命发育的第三个特点就是生命的运转一旦开始就不能停止相对无法为某种需求重新开始构造这很好理解啊机器少了个零件我们关掉机器拆开加上零件就行了但是人的生命一刻都不能暂停

自受精卵形成算起,生命就只能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当中看起来非常奇妙的地方。那说到这里,我们不禁就要问一句,生命到底是用什么样的方式孕育自身的呢?

就像我们开头说的,生命孕育的核心规则就是适应性自组织,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。也正因为生命如此的不同,所以我们了解生命的成型过程时,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的来聊聊,生命的适应性自组织是怎样实现的,它又有什么意义呢?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,这样细胞才能彼此的适应组织到位,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,细胞都在不断的检测外来信号,既有化学信号,比如说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,比如说细胞受到了外界作用力等等。

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的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个方面一个是增加复杂性一个是纠正错误

我们分别来说说,增加复杂性对胚胎发育来说至关重要,一颗兽精卵想要孕育出生命,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,本质上都是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,细胞没有明确的规划,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当中,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。

收精卵形成后,不会立刻的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 个或者是 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,得先有一部分的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看上是经典,那就是从几何规律当中获取信息。可以想象,当 64 个细胞挤成了一个球的时候,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的细胞完全的包裹住,没有任何的外露表面。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,有的细胞就没有。

这种差异就相当于是一种几何信号,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,让自己分化成自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

在这个过程当中,胚胎不需要事先的准备好任何计划,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,然后有选择的激活特定基因,分化过程就会自然而然的完成。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,是不是非常的巧妙呢?

除了增加复杂性以外,适应性自组织的另一个重要意义就是,它可以在胚胎发育的过程当中不断的纠错,这同样非常的重要,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返回信号信息交流啊有来有回错误啊就可以及时的得到纠正咱们来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的位置在不同人体内的差异非常的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?我们都知道,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,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做缺氧诱导因子的蛋白质。细胞一旦缺氧,缺氧诱导的因子就会刺激细胞,合成一种求救蛋白。

只要血管细胞探测到了求救的蛋白就会迅速的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当中就会产生新的毛细血管的网络

而当细胞有了充足的氧气之后缺氧诱导因子就会迅速的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了你看啊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的给出纠正错误的应对措施毛线血管就是在不断纠正错误的过程当中铺设到全身每个角落的

其实这还不算完比毛线血管更大更粗的血管也有自我纠正错误的能力

血液在管道当中流动时,管道壁会受到一种叫做减硬力的作用力血液流速过大或者是血管转弯的角度过于尖锐都会大幅的提升减硬力的强度,对血管就造成了破坏所以为了防止血管受损,血管细胞会时刻的探测减硬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就减轻了血管和心脏的负担

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减阳力的大小,从而随时的调整生长分布。相比于进入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,只要随时纠正就好了。

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了适应性自组织既可以增进生命的复杂性又可以及时的纠正发育当中的错误这是凭借着这两点生命才有了成型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型的

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,所以在这一部分,我只选取生命成型过程当中的几个标志性的事件来与你分享。

人类的所有的故事都起始于一颗——受精卵。就像我们刚才说的,受精卵分裂成了 32 或者是 64 个细胞阶段时,会在适应性自组织的引导下出现了第一次分化,外面的细胞成为了外部滋养层,里面的就成为了内细胞团。接下来,重头器是胚胎头尾方向的确定,

胚胎细胞完成第一次分化后,会逐渐的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的空间分割成了一大一小两个腔体,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是上胚层,它会发育成婴儿

另一层叫做下胚层,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

下培层形成之后,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培层边缘的某个点移动,这个点的位置是怎么确定的呢?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,信号蛋白的浓度最低,这里则会发育成身体的后端。

一头一尾一旦明确了,人身体的方向也就能确定了下来接下来上胚层会沿着身体的方向逐渐的拉长从圆盘形变成了椭圆形

直到变成了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来的呢?其实它的前身是胚胎后背中央的那一长条的细胞。

这些细胞在时机成熟时会向内挤压,形成一条"身沟",随后这条"身沟"会闭合成"管状"进入胚胎的内部,形成最原始的"神经管"。这个闭合的过程有点像我们捏饺子,只有用力的捏,两边的饺子皮才能粘合在一起。胚胎背部剩下的细胞则会相互的连接,形成平坦的后背。

不过呢这一过程啊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?原因其实很简单,咱们打个比方,就是在闭合捏饺子时,用的力气太小了,没能把饺子皮粘到一起。放到胚胎发育的过程当中,一个主要的原因就是孕妇缺乏叶酸,因为叶酸能促进细胞增殖,所以缺乏叶酸就会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连连到一起结果就是神经管闭合失败了很多研究都证明额外服用叶酸会显著的减少脊柱裂的出现因此孕妇服用叶酸补充剂或多或少或者多吃一些富含叶酸的绿色的果蔬或者是豆类对胎儿的健康来说十分的重要

胚胎出具雏形之后,接下来重要的步骤就是发育器官虽然人体内有很多的器官,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说制造管道、合并管道、让细胞聚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带过滤的血液,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的肾单位,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,我们称之为腱充质腱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,就会迅速的增殖生长出分支管道进入腱充质这个过程和缺氧组织引导毛细血管的生长过程非常的像

不过不同就是,这里的肾脏管道细胞也会反过来对腱冲质细胞发出另一种信号,在新的信号的刺激下,腱冲质细胞也会增至分化,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就构成了肾脏。

这个过程最神奇的地方就在于,建冲制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的完成生长过程。这么做的好处非常的明显,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的太多或者是太少,那另一种细胞就会立刻的跟上对方的节奏,肾脏的发育过程再次的证明,适应性自组织会给胚胎发育带来高度的适应性。

说到肾脏啊我们还得强调一点那就是孕妇一定要充足的营养摄入以肾脏为例她在发育时对母亲的营养状况极其的敏感

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他们后代肾脏内的肾单位数量就会明显的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肾损伤的发病率仅凭这一案例我们就能明白孕妇保证充足的营养摄入有多么的重要

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两个小小的突起,随着细胞的不断增殖,这些突起会逐渐的生长形成四肢,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的留在身后,并逐渐的发育成熟。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的相似。

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的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的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

或者是畸形上世纪五六十年代的人们曾经发现一种名为沙利杜安的针灸剂和消炎药可以有效的抑制孕妇怀孕时的不适反应所以当时的孕妇很流行使用沙利杜安

但是悲剧就是这种药物最终造成了大量的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是脚直接连在身体上后来人们才发现原来沙利杜安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的生长而发育失败这个案例深刻的就提醒我们孕妇在使用药物时确实得万分的谨慎

最后让我们来说说胚胎性别的决定机制我们都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

即使胚胎天然的拥有发育成雌性的倾向在基因的安排下生殖线会默认发育成卵巢但在男性的胚胎体内 Y 染色体上有一个名叫 SRY 的基因会在生殖器官发育前被激活并开启一系列的反应这些反应会强烈的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,它就会激活另外的两种信号蛋白,这两种蛋白会相互刺激对方的表达,循环一旦开始就无法停止。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。

不过啊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说近年来欧洲已经禁止在塑料玩具当中添加磷本二甲酸质因为人们就发现如果母亲暴露在含有这类物质的环境当中可能会生下男性性征发育不良的儿子

这也就提醒我们胚胎发育过程十分的复杂容易受到外界环境的影响我们应该对周围环境当中作用未知的化学物质保持着警惕

总结说到这儿这本书的内容我们就聊的差不多了下面我们简单的总结一下首先我们一起讨论了为什么生命的发育过程非常的独特甚至有些奇怪作者就告诉我们生命的发育过程与工程机械的构造是截然不同的所以看起来有些奇怪它主要有三个特点

第一是基因并没有直接的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第二是生物分子可以自我组装第三是生命一旦开始就不能停止生命发育的核心规则就是适应性自组织

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了两个方面分别就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

构建起了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型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是

贯穿其中经典的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达这很容易就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型的过程,它不在乎结果。更进一步的讲,适应性自组织还能给我们在工作和生活上以很多的启示,比如说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者是遗漏,而规则就可以时刻的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。