生物发育理论（二）

奥斯卡·赫特维希不同意这种观点。他认为魏斯曼做了太多假设，实际上根本没有对发育和分化做出真正的解释。赫特维希在其1894年的著作《预成论或表观遗传论》中批评魏斯曼的理论：

仅仅将我们试图至少部分地通过研究可见特征来解决的问题的解决方案转移到一个不可见的区域；而在这个不可见的区域，科学方法无法应用。因此，就其本质而言，它对研究毫无意义，因为没有任何方法可以对研究进行证明。在这方面，它与其前身——18世纪的预成论——相似。(Hertwig 1894 [1900: 140])

与魏斯曼的预成论相反，赫特维希指出细胞间的相互作用以及细胞间的差异是分化的根源。复杂性并非从一开始就内置于其中，而是随着时间的推移，动态地、交互地出现。作为一名细胞学家，赫特维希观察到了未受精卵子本身就已形成的复杂结构，以及受精后发生的变化。卵子并非一个完全无结构的团块，而是一个由不同物质组成的复合体，能够对卵子内部和外部环境的影响作出反应。细胞的行为如同小型生物体，正是这些独立生物体之间的相互作用构成了整体。正如赫特维希所言：

我将解释整个生物体逐渐形成的渐进式组织，这源于众多基本生物体在各个发育阶段的相互影响。我不能将任何生物体的发育视为一幅马赛克拼贴画。我认为所有部分都相互关联地发展，每个部分的发育始终依赖于整体的发育。

此外，

在发育过程中，存在着细胞外部的力量，促使它们呈现出与其与整体的个体关系相适应的个体特征；决定性力量并非像决定因素学说所认为的那样，存在于细胞内部。 （Hertwig 1894 [1900: 105–106, 138]）

赫特维希和魏斯曼以及其他学者继续争论有机体的形而上学本质以及获取有机体知识的认识论要求，但并没有普遍接受的解决方法。根据现有信息，惠勒似乎是正确的。只是存在两种不同类型的人，他们秉持着两种不同的价值观和侧重点。两者都依赖于假设，只有新的证据才能推动讨论向前发展。

7. 十九世纪后期的争论：鲁克斯与德里施

威廉·鲁克斯采用了与魏斯曼大致相同的方法，汉斯·德里施最初也是如此。然而，他们的实验最终带来了新的方法，并修正了后成论和预成论发展理论中存在的问题（Maienschein 1991b 和 Weber 2022）。1888年，鲁克斯发表了他对蛙卵的实验结果。基于镶嵌式预成论的假设，鲁克斯坚信，从第一次细胞分裂开始，每个细胞就应该是不同的，因为它们的差异性已被预先决定。

鲁克斯提出了一个实验，一个表面上简单而优雅的实验。他建议在第一次细胞分裂后取一个正在发育的蛙卵，并将两个细胞分离。然而，他发现无法分离这两个细胞，于是干脆用一根热针插入杀死了一个细胞。那个细胞就像一团物质一样悬挂在那里，不再分化。另一半生物体，或者说单细胞，按照鲁克斯的解释，继续正常发育（Roux 1888）。一半变成了另一半，就像它在生物体中已经预先形成或注定其命运一样。鲁克斯似乎证实了镶嵌假说。

几年后，德雷施在那不勒斯工作，有机会接触到海胆卵。幸运的是，由于奥斯卡和他的兄弟理查德·赫特维希对这些卵的研究，德雷施知道，如果他摇晃这两个细胞，它们就会完全分离。德雷施表示同意鲁克斯的观点，并打算证实鲁克斯的结果。但由于海胆卵实际上可以分离，他认为他的结果会更有说服力。想象一下，当他第二天早上分离卵子后，发现的不是两个半胚胎，而是两个体型较小的海胆幼虫时，他会多么惊讶。正如他所指出的，我必须承认，自由游动的半球或半个原肠胚纵向打开的想法听起来相当离奇。我以为这些胚胎可能会死亡。

并非如此。

相反，第二天早上，我在各自的培养皿中发现了典型的、活跃游动的囊胚，大小只有囊胚的一半。(Driesch 1892 [1964: 46])

在后来的实验中，它们进一步发育，变成了看似完全正常的囊胚幼虫，甚至四细胞阶段也能如此。

Driesch 最终得出了一个表观遗传学的解释，但这种表观遗传学完全依赖于物质因素（至少这是他最初的反应；Driesch 后来确实转向了某种活力论）。他总结道，早期胚胎保留了其全能性。受精卵显然有能力发育成一个完整的生物体，早期细胞分裂后的细胞显然也具备这样的能力。早期胚胎阶段并非由细胞核中遗传决定因素预先决定的细胞镶嵌体，而是由独立的全能生物体组成的群体，每个生物体都能够发育成为一个整体。只有在正常条件下，它们之间的相互作用才能形成一个复杂、有组织、整合的分化生物体。

Roux 似乎不得不承认 Driesch 方法的优越性，因为 Driesch 实际上已经分离了细胞。但事实并非如此。相反，Roux 提出了一个额外的假设。细胞核保留了适应能力，尤其是在较简单的生物体中。它们需要受伤时再生的能力，因此镶嵌决定尚未发生。他认为，每个细胞都保留着“储备特质”，这为形成完整的生物体提供了必要的后备决定（参见 Churchill 1966, 1973）。

看来 Wheeler 是对的。Roux、Weismann 等人认定，发育必须以预定的镶嵌差异为导向。先成论、稳定性和可预测性是其中之一，而后成论、动态过程和变化则是另一方。正如惠勒所指出的，到1899年，前进的道路介于严格先成论和后成论这两个极端之间。惠勒的论文指导老师查尔斯·奥蒂斯·惠特曼对此表示赞同。惠特曼认为，生物学需要清晰地阐述不同的观点，然后转向一个新的视角，考察生物体对外部条件的发育反应在多大程度上依赖于先成论，而不是仅仅依赖于程序化的内部展开。

惠特曼、埃德蒙·比彻·威尔逊以及马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的其他研究人员投入了大量精力，致力于探索每个细胞的本质及其内部组织和关系，试图发现先成论和后成论对发育的唯物主义解释的相对贡献。到了20世纪初，他们逐渐形成了这样一种理解：受精卵在某种程度上是预先组织和分化的，包括核染色体，以及个体生物体能够响应环境变化或进行自我调节的能力。这就是后成论，它允许某种程度的预定论。

8. 调控性发展理论

这种“后成优先”的发展观为一系列持续到20世纪的理论奠定了基础。20世纪和21世纪发展研究中的主要理论冲突并非在于经典的预成论与后成论之间，但这与关于发育过程控制的不同观点有关。如果基因是控制的主要来源，那么生物体发育在某种重要意义上是预成论的：它是由基因决定的。但如果控制更加分散或整体化，以至于发育中的生物体（在某种意义上）是自组织的，那么该过程的调控方式类似于经典的表观遗传理论。一些有影响力的形态发生和模式形成理论持有后一种观点。基于基因的发育理论则持有前一种观点。这样，预成论和表观遗传之间的经典理论对立被转化并延续到20世纪和21世纪。在20世纪上半叶，与表观遗传相关的理论概念在发育研究中发挥了重要作用。本节概述了这方面的主要理论努力。

8.1 有机论、梯度和场

Driesch的实验（见第7节）证明了调控性发育：发育中的胚胎会补偿实验干预，而不是遵循预先确定的计划。为了在不诉诸活力论的情况下解释这一现象，需要一种新的理论方法。其中之一就是有机论，唐娜·哈拉维（Donna Haraway，1976）将其视为20世纪上半叶库恩胚胎学的新范式。其信条包括：

有机体是一个统一的整体，在复杂度/组织层次之间存在多重联系；

发育是一个目标导向的过程，自始至终受到调控，而非预先确定；

有机体的形态和结构应从实现形态的原则来理解。

勒努瓦（Lenoir，1982）将这些思想追溯到康德的《判断力批判》，尤其是在发育过程中，部分和整体有机体的相互决定性。更明显的影响是冯·贝塔朗菲（von Bertalanffy）的发育系统理论（1928 [1933，Woodger译]；参见“生物学中的组织层次”和“系统与合成生物学”条目）。另一个影响是达西·汤普森（D’Arcy Thompson）的开创性著作《论生长与形态》（1917；参见“发育生物学”条目）。一个关键思想是，有机体形态源于一个自组织系统，而非一个预先存在的程序的展开。

哈拉维（Haraway，1976）确定了有机论的四个主要要素：

解释有机体形态的目标；

对称性、极性和模式的概念；

场-粒子二象性（类似于物理学）；以及

与哲学中的结构主义的联系（即，结构是一个自我调节的复杂系统，涉及多个相互作用的组织层次和时空尺度）。

她考察了二十世纪发育生物学范式主要奠基人罗斯·哈里森、约瑟夫·尼达姆和保罗·韦斯等人的著作中的这些要素。有机学家寻求数学的、但又自发的生物学规律来解释发育过程中涌现的秩序。尽管这些规律并未实现，但哈拉维认为，隐喻（主要是晶体和场的隐喻）取代了它们，发挥了重要的理论作用。在二十世纪上半叶，一些更为抽象的理论概念——极性、梯度和场——也被用来解释有机体形态。例如，汉斯·施佩曼（Hans Spemann，1936 [1938]）提出：

许多（即使不是所有）动物的身体，至少在胚胎状态下，都拥有一个或多个极点不等的轴，沿着这些轴存在某种梯度。发育过程在很大程度上取决于这些梯度。(1936 [1938: 318])。

同样，查尔斯·曼宁·查尔德（Charles Manning Child）假设生物体的发育基于以新陈代谢为基础的“活动梯度”。另一些人则反对这些概念，认为它们不清晰、形而上学上模糊不清，并且缺乏科学的活力论（参见 Gilbert、Opitz & Raff 1996）。

梯度理论和场论的一个重要推动力是“组织者”现象，希尔德·曼戈尔德（Hilde Mangold）的蝾螈组织移植实验证实了这一点。她将一小块从发育中的Triton cristatus胚胎的背唇移植到另一个蝾螈物种（Triton taeniatus）的早期原肠胚中。因此，供体组织与另一个物种未分化的外胚层接触。结果：两个体轴不同的连体胚胎。这表明背唇组织以某种方式将宿主细胞和组织“组织”到另一个胚胎体内。斯佩曼将胚胎的背唇称为“组织中心”或“组织者”。但这是如何运作的呢？提出的答案表明，体轴是由组织者细胞中某种化学物质的梯度产生的。这便是“场论”的起点；例如，

……卵子和早期胚胎由场——梯度或分化中心——组成，在这些梯度或分化中心中，特定属性的强度会随着与场中心距离的增加而减弱……（Harrison 1969: 258）

在与剑桥大学理论生物学俱乐部其他成员的讨论中，约瑟夫·尼达姆寻求一种关于“组织者”化学性质的理论。基于达西·汤普森的生物形态理论和生物化学的洞见，他将场概念化为发育中胚胎的空间区域。它决定了区域内所有点的特定性质、方向和强度。场作为一个整体表现出（不）稳定性和平衡位置。因此，生物体发育被定义为

通过决定各部分追求既定命运，逐渐限制其潜能……这种状态可以用一系列平衡状态来最好地描述。（Needham 1936: 58）

整个过程可以用概率“场定律”来解释，这些定律描述了场的一系列平衡位置，从蛋白质和纤维到细胞形状和生物体形态。尽管Needham没有详细阐述他的理论思想，但它们与Waddington的发展观以及最近的系统方法（参见9.1节和10.2节）有着明显的相似之处。

在美国工作的Paul Weiss也阐述了场和梯度概念，并勾勒出了一种发展理论，该理论预示了当今系统生物学的关键思想（参见“系统与合成生物学”条目）。他的成熟理论（“分子生态学”）提出了细胞内一系列分子物种的设想，这些物种的分布、排列和分组方式由其空间介导的相互作用和物理环境决定（1968）。空间相互作用基于分子的形状和电荷；以及诸如键合和排斥等生化特性。韦斯的理论认为，这些分子相互作用由更高层次的场组织起来，从而根据“渐进决定”的原理产生细胞分化、生长和形态发生的模式。在卵子或早期胚胎中，并没有预先存在的胚胎组织的“位置”——相反，组织是在发育过程中通过生理梯度逐渐形成的。Weiss 的理论基于对肢体再生、神经发育、移植和细胞培养的广泛研究。例如，再生的两栖动物肢体即使源自其他身体部位的不同细胞类型，也能显示出正确的方向和组织结构。这些新部位是如何获得“方向感”并产生正确的形态组织的呢？Weiss 的答案是，体内某种生理梯度会告诉细胞“它们在哪里以及该做什么”。

Weiss 用场的概念构建了这一理论：

使生殖细胞各个部分原本不确定的运动轨迹变得确定和特定，并使其遵循某种典型模式的因素。(1939: 290)

场从中心向边缘组织，焦点强度最大，并从中心逐渐减弱。这种组织方式包含一种“生理梯度”：（分子）特性的稳健分布，这些特性沿着三个空间维度以及一个或多个轴（极性）变化。其因果活动是整体性的，决定着细胞行为，进而产生生长、分化和形态发生。Haraway（1976）、Keller（2002）以及Vecchi和Hernández（2014）考察了发育生物学中梯度和场概念复杂且不均衡的历史。如上所述，Haraway主要关注的是这些概念作为隐喻，通过Harrison、Needham和Weiss的研究构建了有机体论范式。Evelyn Fox Keller认为这些概念是将生物学数学化以理解发育的传统（迄今为止大多不成功）的一部分。Davide Vecchi和Isaac Hernández进一步阐述了Keller的观点：他认为“形态发生场”的概念已被沃尔珀特的“位置信息”概念所取代，这是20世纪中期从有机论思想转向遗传控制发育的理论转变的一部分（参见8.3节）。

8.2 图灵的反应扩散模型

图灵的形态发生理论（1952年）避开了遗传学，试图解释模式是如何在早期胚胎中出现的。他的答案是一个简单的模型，由两个反应扩散方程组成，分别表示化学“形态发生素”X 和 Y 以常数 D x 和 D y 确定的速率在组织中扩散，并与化学反应耦合，其效应由函数 f 和 g 表示：

X t

=

f

(

X

,

Y

)

+

D x

∇

2

X

Y

t

=

g

(

X

,

Y

)

+

D y

∇

2

Y

∇

=

∇

(

∇

,

∇

)

+

∇

∇

2

∇

∇

2

（这些方程遵循了 Keller 2002 年的陈述，比 Turing 的原始陈述更简洁。）一种形态发生素是激活剂，另一种是抑制剂。两者都以恒定的速率生成和销毁。最初，组织是均质的，缺乏任何空间组织。至关重要的是，要出现稳定的模式，X 和 Y 必须以不同的速率扩散，抑制剂具有较大的扩散系数。在这些参数值下，系统中的随机波动会导致不稳定性，从而形成模式。也就是说，从最初稳定、均质的细胞/组织系统开始，两种扩散化学物质（形态发生素）之间的相互作用导致稳定的化学模式的出现。图灵假设稳态化学模式决定细胞/组织水平的模式（通过完全未指定的机制）。基于这一假设，该模型解释了一组细胞或组织中的模式形成。图灵的形态发生模型有几个显著的特点。首先，它基于物理学和化学，而非生物学：反应扩散方程，其中融入了傅里叶级数和质量作用定律。反应扩散方程是一类非线性偏微分方程。（霍奇金和赫胥黎的神经传播模型也属于此类——当时，它是这类方程在生物学中为数不多的应用之一；参见“科学中的机制”条目。）图灵使用这些方程来模拟从均质性到空间模式化的转变，这颇具反直觉性，因为扩散本身就是一个典型的均质化过程。因此，他的模型是一项理论进步，将反应扩散方程可以模拟转变和“前进波”（例如，在神经元中）的洞见扩展到形态发生（Berestycki 2013）。其次，该模型极其抽象——“……一种简化和理想化，因此也是一种伪造”（图灵，1952：37）。然而，它却在生物学领域有着广泛的应用。图灵（1952）主要探索了化学物质在固定大小组织中扩散的简单情况。但他也将该模型应用于球体上的化学波，以代表原肠胚形成。这种更复杂的情况，即三种形态发生素相互作用，可以产生行波和异相振荡。图灵还将他的模型应用于植物发育，特别是叶序（叶在茎上的排列；参见 S. B. Cooper & van Leeuwen，2013）。图灵方程的后续推广已被用来模拟各种各样的发育现象，包括鱼类色素沉着模式、人类间充质细胞分化、蝴蝶翅膀图案、小鼠毛囊/毛色图案、肢体和牙齿发育，以及细菌菌落生长动力学（Meinhardt 1982，Murray 1989）。然而，其解释作用存在争议，主要是因为很难证明图灵模型能够描述真实生物体中发育的实际过程。

Keller（2002）讨论了这个问题以及图灵模型的主要特征。一个关键问题（当时Waddington指出）是，以“纯同质性”作为发育的起点是不现实的；卵子或早期胚胎从来都不是图灵所假设的“一张白纸”。她认为图灵的模型是对数学生物学的一次不成熟的尝试，并指出它对当时流行的因果关系观念提出了挑战：有机体形态是涌现的、自组织的；整体的，源于系统而非由基因驱动。 Vecchi 和 Hernández (2014) 在 Keller 的观点基础上，认为图灵模型中对起始原因的不同解释存在“因果意识形态的冲突”。他们对其生物学相关性和影响力更为乐观。科学家们仍在应用和反思图灵的形态发生模型（例如 Kondo & Miura 2010）。正如 Kondo & Miura 指出的那样，弗朗西斯·克里克的胚胎发育源-库模型（1970）可以被认为是最简单的反应-扩散模型，其中去除了反应项。然而，克里克的模型在机制上更为简单，其形态发生由单一的形态发生素沿着细胞线扩散控制：