生物发育理论（一）

发育是生物学的核心过程，关于其本质的思想对生物学思想产生了深远的影响。本条目将通过“后成论与先成论”的视角，回顾这些思想的历史。后成论的大致观点是，所有发育中的实体都始于未成形的物质，并在发育过程中随着时间的推移逐渐形成形态。相比之下，先成论的论点是，发育始于实体以某种方式预先形成、预先设定或预先确定的阶段。“后成论还是先成论？”这个问题，部分是形而上学的：究竟是什么存在——是形态，还是由未成形的物质演变而来的形态？它部分是认识论的：我们如何知晓——是通过观察还是推理？关于这些错综复杂的问题的争论自古以来就一直持续，如今，遗传决定论者诉诸于通过基因遗传已经“形成”的事物，而另一些人则坚持环境可塑性的有效性。本文将概述这场争论中涉及的主要发展理论，从亚里士多德的代际理论，到近期的系统论和基于干细胞的观点。当然，“表观遗传与预成论”并非唯一长期存在的、与发展相关的理论对立。但这种框架是一种包容性的方式，能够捕捉生物发展争论中转变与恒定的模式。先天还是后天，表观遗传还是预成论，遗传决定论还是发展自由意志，或者是否存在某种中间立场？这场经久不衰的讨论的术语及其背后的假设，持续影响着关于生命起源的争论，并具有深远的生物伦理和政策意义。

1. 关于理论的警告

2. 问题

3. 亚里士多德与亚里士多德主义

4. 18世纪的争论

5. 进化与胚胎：一种新的预成论

6. 19世纪后期的争论：魏斯曼和赫特维希

7. 19世纪后期的争论：鲁和德里施

8. 调控性发育理论

8.1 有机论、梯度和场

8.2 图灵的反应扩散模型

8.3 位置信息

9. 20世纪遗传学：一种新的预定论

9.1 沃丁顿的景观

9.2 遗传程序

9.3 调控基因组

10. 21世纪的替代方案：一种新的表观遗传学？

10.1 发育系统和周期

10.2 物理和动态系统

10.3 干细胞和谱系

参考文献

学术工具

其他网络资源

相关文章

1. 关于理论的警告

发育理论应该解释生长、细胞分化和形态发生等核心现象，这些现象共同将一个卵子转化为成熟的生物体。然而，除了这一大致的共识之外，仍然存在着许多不确定性。究竟哪些实体经历了发育？该过程的时间、空间和功能边界是什么？这些问题在生物学和哲学领域存在争议（Bonner 1974；Pradeu 等人 2011）。科学理论的性质和意义也悬而未决。一个普遍的发育理论是否可能或是否可取，部分取决于如何定义“理论”。然而，目前尚无哲学共识可以依靠。此外，发育生物学并非传统意义上的理论领域（与进化生物学不同；参见发育生物学条目）。最近编辑的合集《走向发展理论》，本书揭示了各种观点和框架，从对任何此类理论的怀疑，到受物理学、数学、生物化学、系统生物学等影响的具体构想（Minelli & Pradeu 2014a）。然而，广义上讲，

大多数发育生物学家对构建一个总体发育理论并不十分感兴趣，而且……发育生物学也并非生物哲学家关注的焦点。（Burian 2014: xii）

该主题在生物学和哲学领域都很少受到关注。

本文中的“理论”一词指的是关于整个发育过程本质的广泛概念框架。这比传统的哲学理论概念更具包容性，要求也更低；“大局观”视角提供了对发育的整体描述和/或理解发育的基本原则。从这个意义上讲，表观发生和预成论是两种替代理论：它们是描述和试图解释个体有机形态发育的两种持久方法。

2. 问题

这两种相互竞争的哲学传统存在的核心问题是，事物在多大程度上从“起初”就形成或组织起来，还是组织和形式只是随着时间的推移而形成。19世纪对“进化”一词的使用包含着对先前存在形式的展开的含义，这是一种与当时的后成论（epigenesis）相对的预成论。因此，回过头来看，“进化”和“后成论”的讨论可能会产生误导，因为前者的含义更接近于“后成论”（Bowler 1975）。更复杂的是，到了十九世纪末，“预成论”实际上更多地关注的是各种版本的预定论或预定描述，而非形式本身的预先存在。此外，一些作者认为后成论或预成论完全由内在主导，而另一些作者则在每种情况下都允许对环境作出反应。其背后存在着关于预定论和自由意志的相对重要性的争论，无论对个人、有机生物，还是无机生物而言。在每种情况下，重要的是要记住特定作者的论述和提出的论点。因此，关于后成论和预成论的讨论常常会引出其他附带问题，并且很难脱离其背景。本文旨在提炼核心问题，并聚焦于讨论的关键贡献。

争论的术语原则上也适用于无机世界；例如，太阳系可以“进化”，并且可以表观遗传地发展。然而，人们通常不认为它们会进化，因此后成论和预成论主要适用于有机世界。物种可以或多或少地逐渐进化或发展，其形态或多或少从一开始就已存在或被设定。然而，关于后成论和预成论的讨论通常侧重于个体生物及其发育，而非物种。本文的重点在于对个体生物中实际发育过程的不同解读，因为它会随着时间推移而展开。因此，本条目将重点关注个体生物及其发育过程的理解。更具体地说，这意味着考察其形态的发育，以及在较小程度上考察其功能的发展。后成说和预成说对其中涉及的内容提供了两种相互竞争的解释，中间还存在一系列替代方案。这两种方法基于不同的形而上学和认识论假设。我们可以通过仔细观察一系列聚焦事件来理解核心问题。

3. 亚里士多德与亚里士多德主义

亚里士多德对许多事物都观察敏锐，包括胚胎。例如，通过观察小鸡，并借鉴他早期为物理科学发展起来的解释，他看到了物质因、最终因、形式因和动力因在个体生物的生成过程中发挥作用。早期的卵子尚未形成；它并没有包含一只小鸡（或任何物种）。相反，个体动物只是逐渐获得了开始跳动的心脏；构成小鸡的其他部分也是如此。物质可能从一开始就存在，但形式因只是随着胚胎发育的动力因逐渐发挥作用。

因此，亚里士多德能够将他对胚胎的观察融入他对世界的更宏大的理论解释中。在有性生殖中，个体生物始于母亲和父亲的体液汇合。这结合了基本原因，并启动了发育过程。母体贡献是物质原因，它存在于经血中。“经血排出后，大部分物质已经排出，剩余部分开始形成胎儿”（亚里士多德《动物生殖论》[GA]，1.727b17-18）。然而，经血，或女性精液，仅仅是其产生的源泉，必须受到男性精液（即产生者）的作用。总而言之，与物种的本质和目的（telos，或最终因）相一致，形式因和有效的因果过程将一个已形成的个体有机体从潜在状态转化为实际存在。随着时间的推移，个体有机体的形态逐渐从未成形状态中显现出来。雄性和雌性亲本是每个个体有机体的“生殖原则”（在有性生殖物种中）。

对亚里士多德来说，个体生命始于男性和女性精液的结合。这是一种外在活动，开启了个体的形成过程。从那时起，这个过程转向内在，最初由结合体液的内在原因驱动。随后，这个过程导致了个体类型的形成，因为“一旦事物形成，它就必然生长”（亚里士多德，GA 1.735a18-19）。 （有关亚里士多德前辈们对这些观点的讨论，参见 Lennox 2001；有关亚里士多德的生成理论及其后续科学发展的讨论，参见 Van Speybroeck 等人 2002；Vinci & Robert 2005；Connell 2016、2020；Falcon & Lefebvre 2017；Henry 2017；Hopwood 等人 2018。）

个体有机生命需要一个内在的运动源泉，或称“灵魂”，它从一开始就存在于物质躯体中。这个灵魂引导着逐渐发生的表观遗传发育过程。这是亚里士多德式的灵魂，而非基督教的灵魂。灵魂由植物性（所有生物体）、运动性（动物）和理性（人类）组成。灵魂由一到三个部分组成，取决于生物的种类，它存在于男性和女性精液的结合体中。生者与死者的区别，在于灵魂的活动。因此，正是潜能的目的论驱动力，将个体及其形态和功能，以表观遗传的方式、逐渐地和内在地实现。

亚里士多德学派追随亚里士多德，在没有对胚胎进行更多深入研究的情况下，就将包括人类发育在内的生殖过程解释为渐进的、表观遗传的。传统天主教也认同这一观点。圣奥古斯丁和圣托马斯·阿奎那都认为，人化，即人类的形成，只是逐渐发生的。胎动被认为发生在40天左右，是单纯的动物体液混合物被赋予灵魂的时刻。直到1859年教皇庇护九世宣布生命始于“受孕”之前，教会一直与亚里士多德学派一样，持有表观遗传的观点（参见Maienschein 2003）。

4. 十八世纪的争论

雪莉·罗对十八世纪争论的讨论是对当时背景的精彩考察。对各种自然现象的科学研究热情，与对自然史及其随时间变化的特别兴趣，以及新近出现的微观方法相结合，激发了人们对发育的兴趣（Roe 1981）。十八世纪初，亚里士多德的后成论仍然为个体发育提供了背景假设，研究人员试图观察形式从非形式逐渐显现的过程。然而，亚里士多德的解释主张因果的有效性，并通过赋予灵魂的过程发挥作用。实际上，这种对后成论的解释依赖于生物体内驱动其形式出现的生命力。接受后成论的人也接受了某种形式的活力论（更多关于早期现代活力论争论的信息，参见Detlefsen 2006、Zammito 2018）。

运动中的物质本身，似乎没有能力产生这些结果。未成形的物质如何形成？新兴形态如何在没有某种非物质生命力或因素的情况下获得运作的能力？这是唯物主义者面临的问题。那些以唯物主义形而上学为起点，假设所有可能存在的事物都是运动的物质的人，无法理解形态的逐渐表观发生是如何发生的。近代早期，从唯物主义形而上学假设出发的人与从认识论假设出发（认为经验观察应该为科学知识提供基础）的人之间展开了争论。

另一种流行的预成论观点是“侏儒”（homunculus）。无论最初是认真的，还是为了捕捉另类的想法，一个微小的预成人的概念确实引起了人们的注意。尼古拉斯·冯·哈特索克（Nicolaas von Hartsoeker）在1694年为我们提供了精子中一个微型人的图像，这成为了精子论者的起点。其他卵子论者则接受了预成生物的概念——但这种生物是在卵子中而不是精子中。这两种观点都是对预成论的字面解读。个体成年生物体所呈现的形态，无论是物理上还是物质上，都是从发育的最初阶段就预先形成的。随后的过程仅仅是生长。

并非所有预成论者都如此字面地或形象地理解他们的预成论。但到18世纪，这种观点确实提出了一种与亚里士多德后成论相竞争的替代方案（参见Bowler 1971, Pinto-Correia 1997）。正如Iris Fry在其关于生命起源争论的研究中指出的那样，只有基于预成论，唯物主义机械论者才能在18世纪成为一名虔诚的基督徒（Fry 2000: 26，引用Farley 1977: 29）。例如，这场争论在卡斯帕·弗里德里希·沃尔夫和查尔斯·博内等人的著作中就有所体现，他们都研究过小鸡的发育（Detlefsen 2006）。他们研究的是同一件事，甚至在根本上达成了共识，但得出的结论却截然不同。这个故事可以看作是一场关于科学理论的争论。沃尔夫是一位表观遗传论者，他认为形态的出现是逐渐发生的。博内是一位预成论者，他坚持认为形态从每个生物体诞生之初就存在，并且只会随着时间的推移而经历生长。除了这些理论和认识论问题之外，还有一个关于形而上学的故事。十八世纪，形而上学唯物主义者与认识论表观遗传学家之间展开了激烈的争论。形而上学唯物主义者被迫接受预成论，而认识论表观遗传学家则观察到形态的逐渐出现，并愿意接受活力论作为形态从未成形中出现的唯一明显因果解释 (Roe 1981; Maienschein 2000; Nicoglou & Wolfe 2018 [及其参考文献]; Wolfe 2021)。

5. 进化与胚胎：一种新的预成论

1859年，达尔文关注胚胎及其在理解进化关系中的应用。恩斯特·海克尔使胚胎研究引起了广泛关注。组织学家和胚胎学家，尤其是在德国和美国，利用迅速发展的显微技术，观察到了远超以往所能观察到的范围。这些观察结果，在进化论的解读背景下，提出了新的问题，也引发了新的答案。对后成论和预成论的理解都发生了转变，因此争论除了传统的分歧之外，还带来了新的问题。达尔文指出胚胎学是解释历史关系的基础。在《物种起源》第十三章中，他问道：

那么，我们该如何解释胚胎学中的这些事实呢？——即胚胎与成体之间结构上非常普遍但并非普遍的差异；同一个胚胎中的各个部分，最终会变得截然不同，并用于不同的目的，但在早期生长阶段却相似；同一纲内不同物种的胚胎，通常但并非普遍地彼此相似；胚胎的结构与其生存条件并不密切相关，除非胚胎在生命的任何时期变得活跃并需要自给自足；胚胎有时似乎比其发育成的成熟动物拥有更高级的组织结构。(1859: 442–443)

但我们知道这是一个反问句，他果然得出结论：

我相信所有这些事实都可以用“遗传与变异”的观点来解释。 (1859: 443)

此外，

胚胎学中那些在自然史中无比重要的关键事实，其解释依据是：在某个古代祖先的众多后代中，细微的变异并非在生命早期就出现，尽管这些变异可能是在最早时期发生的，并且会在相应的非早期时期遗传下来。当我们将胚胎视为一幅或多或少模糊的、描绘各大动物纲共同亲本形态的图画时，胚胎学便变得格外有趣。(达尔文 1859: 450)

海克尔将个体发育视为系统发育的短暂而快速的重演，并认为每个个体的发育都遵循着以下顺序，并且实际上由以下因素引起：该个体生物物种的进化史。海克尔在其广受欢迎的著作中，被广泛翻译和阅读，描绘了比较胚胎学的图景。你看，他似乎在暗示，人类形态是在其祖先的进化发展和适应之后出现的。形态源自祖先的形态，并按照预先设定的阶段展开（Haeckel 1866）。

达尔文并非胚胎学家，他并没有对我们理解胚胎发生本身做出贡献。海克尔实际上也没有。然而，尽管达尔文利用胚胎来支持进化论并帮助解释进化关系的做法与各种表观遗传学或预成论发展观相一致，但海克尔的观点无疑是预成论的。因此，这是一种预成论的解释，并非基于额外的胚胎学观察，而是基于对海克尔自身形而上学观点——一元论唯物主义——的坚持，以及他为进化论提供证据的愿望。海克尔的方法反映了19世纪末研究细胞和胚胎的学者们所处的背景。

6. 19世纪末的争论：魏斯曼与赫特维希

1899年，美国生物学家威廉·莫顿·惠勒提出，思想家只有两种。一些人关注变化和过程，而另一些人关注稳定性。赫拉克利特、亚里士多德、生理学和后成论代表了一种看待世界的方式，而巴门尼德、柏拉图、形态学和预成论则代表了另一种。惠勒认为，这些都是稳定而持久的类别，只是它们之间的差异的性质和细节会随着时间而变化。然而，到了19世纪末，他认为：严格的预成论者和严格的表观遗传论者都不应占上风。相反，他呼吁一种中间立场，因为：

如今那些自诩为“表观遗传论者”的人，如果认为胚芽中几乎没有或根本没有预先决定的因素，就必须竭尽全力解释成年生物体复杂的异质性如何源于化学酶，而如今那些自诩为“预成论者”的人，则必须阐明他们所坚持的胚芽中必然存在的复杂形态结构。

此外，我们必须寻求解决两者相对贡献的途径，并非哲学，而是科学，因为“这两种倾向都能在研究中找到各自的矫正方法”（Wheeler 1899: 284）。

惠勒的思想受到十九世纪末期一些争论的启发，而这些争论本身又是由大量新发现引发的。奥古斯特·魏斯曼和奥斯卡·赫特维希的观点尤其强烈且截然相反。魏斯曼最初从表观遗传学的角度出发，最初拒绝接受个体形态是通过遗传胚芽中先前存在形态的展开或进化而来的观点。但到了1892年他的《胚芽质》（Das Keimplasm）出版（1893年译成英文）时，魏斯曼改变了想法。正如魏斯曼所写：

长期以来，我对达尔文理论有效性的怀疑不仅仅局限于这一点：假设身体各部分都存在预先形成的成分，在我看来，这过于轻易地解决了一个难题，而且它还包含着一种不可能性，即原始成分的聚集形式是绝对不可想象的。因此，我努力探究，是否有可能想象，尽管胚芽质结构复杂，但它并非由如此大量的粒子构成。并且其进一步的复杂性随后在发育过程中显现。换句话说，我所寻找的是一种物质，它能让整个生物体通过表观遗传而非进化而产生。经过反复尝试，我不止一次地以为自己会成功，但当进一步的事实检验时，这些尝试都失败了。我最终确信，表观遗传发育是不可能的。此外，我还找到了一个关于进化真实性的实际证据，它……如此简单，以至于我几乎无法理解它怎么可能这么久都没被我注意到。（Weismann 1892 [1893: xiii–xiv]）

他的“证明”解释了，在细胞理论的背景下，考虑到整个身体始于一个受精细胞，所有不同的身体部位如何能够分化得如此多样化。Weismann 认为，关键在于生殖细胞这种特殊的物质。这些细胞中蕴含着指导发育所需的所有决定因素。也就是说，遗传导致了发育和分化。

魏斯曼的理论假设存在多个层次的假设单位。到19世纪90年代，人们一致认为个体起源于细胞，细胞包含细胞核，细胞核包含染色体。魏斯曼假设，染色体是遗传物质，由一系列决定因素组成，这些决定因素与生物体的性状相关。每个决定因素由许多被称为生物团的物质粒子组成，这些粒子遗传自父母双方。这些生物团相互竞争，最终占上风，从而决定了决定因素的性状，进而决定了生物体的性状。在每次细胞分裂过程中，原始的完整染色体物质会被分裂，其效果就像马赛克一样。每个细胞之所以成为正确的类型，完全是因为分配给它的决定因素的作用。正如魏斯曼所说：

个体发育，或者说个体的发育，取决于卵细胞核物质一系列渐进的质变。

细胞是自我分化的，

也就是说，细胞的命运是由其内部的力量决定的，而不是外部的影响。(Weismann 1892 [1893: 32, 134])

细胞本身的外部条件无法引导发育，而其原因在于细胞内部。构成复杂生物体的细胞分化是预先确定的。弗雷德里克·丘吉尔在其宏伟的魏斯曼传记中深入探讨了这些观点（Churchill 2015）。