摘要：现代生物学最大的革命就是发现了 DNA 的分子结构，这一发现将遗传学变为了化学的一个分支，以生物体的基因为研究的核心。但是，注意力的转移并没有加深我们对生命本质的理解：知道了一只猫是由哪些蛋白质组成的，并不能解答我们关于猫的所有疑问。

普罗米修斯之手

在古希腊神话中，普罗米修斯是人类的缔造者，他从从河岸抓起一大团泥土，用手在河里捧了些水浇在上面，把它和成软硬适宜的泥巴，然后用这些泥巴根据神的形象便捏出了一个人。

细胞的分型

然而现在我们知道一切的生命都从一个受精卵开始，受精卵的状态就是生命的原始形态，遗传物质通过最初的细胞质计划，开始读取着古老而又新鲜的遗传物质，其中细胞的分化是一串高度耦合的过程，前一个反应的结果直接作用于后一个反应过程的输入，调整着指针在 DNA 上的读取片段，不断的使反应过程持续下去，同时每个反应的结果都将印刻细胞内，这就是细胞的年龄，随着细胞的不断自我复制，这些细胞也在向着死亡生长，变得更加的成熟与众不同。

干细胞进展

科学家们一直在尝试将干细胞培养成各式各样的特异细胞，并用于干细胞治疗和基因修正，但是直到目前也没有很好的突破，一个很重要的方向就是模拟器官受损恢复的过程，自1981年发现胚胎干细胞以来，还没有实验室成功利用多能干细胞构建能血管化的复杂器官。主流观点认为，要在体外重塑器官发育时的细胞间相互作用是不现实的。然而，日本横滨市立大学的研究小组冲击了这一观点：他们利用人类诱导性多功能干细胞（iPSCs）在体外培育了简单的人类肝脏，移植到小鼠体内后，这些肝脏成功血管化并正常行使功能，研究结果日前发表在《自然》上。

研究者将人体皮肤细胞诱导成多能干细胞，使其分化为早期肝细胞，并与其他两种对肝脏发育极其重要的细胞混合：一种是用于构建血管的人类脐静脉内皮细胞（HUMECs），另一种是用于连接组织的人类间充质干细胞（MSCs）。很快，这些细胞开始自组装成肉眼可见的立体细胞团。5天之后，培养皿里的景象让武部完全惊呆了：细胞团组装成了一个微小的三维结构，像一个缩小版的肝脏一样运作。这种微小的肝脏只有大约5毫米长，却在逐渐形成自己的血管。武部把这个小东西称为“肝芽”（Liver buds）。

随后，研究者把肝芽异位移植到免疫缺陷的小鼠身上。在48小时之内，肝芽就快速地与小鼠的血管连接。大约10天之后，肝芽开始正常运作。利用基因芯片，研究者分析了83种已知在肝脏发育过程中连续上调的基因，发现在利用诱导性多功能干细胞培育的肝芽中，这些基因的表达谱与在人类胎儿肝细胞发育成的早期肝组织中相近。

夹缝求生

同时细胞是一个开放的系统，一些信息物质可以在人体内到处乱跑，影响着其他细胞的分化过程，而外界环境的变化也影响的 DNA 指针的读取位置，这些细胞就像往模具中填充尽可能的填充沙子从而塑造我们的形状，这个模型必须在万物的竞争中不断的使得自己得以填充物质世界最为微小的空隙从而必须让生活其中的每个细胞通力合作达到最优性能，这个过程就像是一个充满脂肪的胖子不断的改变着脂肪的位置好让自己从缝隙中通过，正是这些在竞争中获得的“空隙”塑造了我们的形状，生物进化的目标就是不断压缩自己的形状以使得可以适应更小的“缝隙”。

生命中的宇宙规律

我们现在已经知道了从小到大，生命就是细胞优化组合；从大到小，生命必须不断的适应环境的压力调整自己的形状，然而我们仍然不知道为何生命如此相似而又多彩缤纷与众不同，是什么规律影响使得一粒随风飘荡的种子可以发育为苍天大树，这些细小的细胞又是如何填埋宇宙的空隙的。

从灯塔水母（Turritopsis nutricula）到独角鲸，从藻类到北美巨杉，生命的形状如此令人眼花缭乱，然而我们却对他们熟视无睹觉得一切习以为常，即使我们已经了解了一个细胞的所有生命过程，了解了对应功能在遗传物质中的存储位置，然而我们依旧无从得知为何我们长成这样，为什么自然界中所有的生命都是对称结构，这些细胞直接的交流又是通过怎样的物理通道，为何熊猫斑马会出现如此错落有致的斑纹，即使我们明白了形成黑白毛色的原理，我们依旧无法得知单个细胞基因的表达是通过什么样的规律触发，即使我们能够往农作物产品中转录各种外源基因，我们依然无法了解是什么样的作用让让一个细胞群朝着根，叶，花的方向发展，总的说就是我们即使已经能够谱写万物的天书，但我们依旧无法了解万物是如何创造的。

生物学往往是关于植物、动物和昆虫的研究，但是 5 项创新改变了科学家理解生命的方式：显微镜的发明、对生物的系统分类、演化论、基因和 DNA 双螺旋结构的发现。现在，第 6 种因素也在起着作用——数学。

几个世纪以来，数学在物理学领域中起着主导作用，而在生命科学的发展之中，数学仅仅扮演了分析数据的龙套角色。但是如今，数学为生命的复杂过程提供了新的理解，正逐渐走到舞台的中心。从数学建模到混沌理论，生物中的数学思想多样且新颖。这些思想将不仅帮助我们理解生命的起源，还能帮助我们了解生命的机理，小到分子，大到宇宙。

现代生物学最大的革命就是发现了 DNA 的分子结构，这一发现将遗传学变为了化学的一个分支，以生物体的基因为研究的核心。但是，注意力的转移并没有加深我们对生命本质的理解：知道了一只猫是由哪些蛋白质组成的，并不能解答我们关于猫的所有疑问。

斑马的花纹

一直以来，野生动物无以伦比的美丽吸引了无数画家、音乐家和作家驻足赞美，西伯利亚虎的力量和优雅，大象的体型硕大，长颈鹿的风度翩翩，还有斑马那神秘而美丽的条纹。这些生物都是由一个细胞（受精卵）发育成的，但要把大象浓缩到一个细胞里，可能吗？

答案自然是不行的，你只能将构成大象所需的信息注入一个细胞之中。但是，不是光注入就行了，你还需要将这些信息进行合理的排列组合才行，这就需要用到其他的东西。

因帮助破解恩尼格玛而在二战时期闻名的阿兰 · 图灵（Alan Turing），便对生物的花纹是如何形成的这一问题给出了解释。1952 年，图灵提出，生化过程在正在发育的胚胎中，产出了一些叫做 “前期模式” 的物质，这些物质后来被表达为真实的蛋白质色素样品，比如赋予我们皮肤颜色的黑色素。

但是这些 “前期模式” 是怎样形成的呢？ 图灵认为，它形成于一对 “成形素” 分子，在最后成为皮肤的胚胎部分的每一点上，成形素分子之间的相互反应，形成其他类型的分子。与此同时，这些分子及其反应产物，通过胚胎的相关部位在细胞间扩散。化学信息指引着生成的色素移动到细胞中特定的位置，这个过程导致了 “前期模式” 的形成。当胚胎发育时，动物的花纹图案便呈现出来了。这个过程就像一个数学方程组。

图灵方程最重要的结果是，在任何一个特定的动物体内，特定组合的反应和扩散都可以创造出明显的花纹：斑点、条纹或者其他更多复杂的花纹。该理论能帮助科学家预测猫科动物的条纹和斑点会长成什么样子，果蝇身上有多少根毛，或一片树叶上有多少涡纹。

用数学方程预测生物的花纹图案

图灵的特殊模型过于简单，却简化了问题，抓住了重点，为理论的进一步完善指明了方向。发育生物学家汉斯 · 迈特（Hans Meinhardt）就曾使用图灵方程的变体来研究贝壳的花纹，并且发现了什么样的化学反应会形成哪一类的花纹。顺便指出，虽说是 “哪一类” ，但并不代表规则性。很多贝壳的纹理是复杂且不规则的，有些圆锥形的贝类拥有随机大小的三角形，但是这类纹理在图灵型方程组中是常见的。事实上，它们属于分形。

1995 年，日本科学家近藤茂（Shigeru Kondo）和康喜范（Rihito Asai）将图灵方程组应用于热带鱼——拥有美丽的黄色和紫色条纹的皇帝神仙鱼（ Pomacanthus imperator ）。图灵模型给出了一个惊人的预言： 皇帝神仙鱼的条纹沿着它的身体移动（不像成年斑马的条纹是固定的）。

看起来这一预言实现的可能性不大，但是几个月后，当近藤茂和康喜范拍下样本皇帝神仙鱼的样子之时，他们发现鱼表面的条纹发生迁移，并且变位的条纹也形成了图灵方程预言的那样。条纹之所以会这样，是因为色素蛋白在细胞间扩散，从鱼尾扩散到鱼头。对于条纹固定的动物，不会发生此现象； 但是一旦动物的大小和其他因素已知，则运用数学可以预测出条纹是否会移动。

叶片的形成

在2003年的一项研究中，瑞士伯尔尼大学的克里斯·库勒迈尔（Cris Kuhlemeier）及其同事，在拟南芥的 PIN1蛋白上添加了荧光标记。他们发现，这种蛋白在一些细胞的末端聚集成斑块，这些聚集点正是细胞中最靠近后来生长出叶片位置的地方（参见《自然》，第426卷，255页）。这表明，PIN1蛋白分子正在把生长素向应该长叶片的位置输送。

细胞又是怎么知道哪里应该长叶片的呢？库勒迈尔的研究团队认为，它们其实并不知道。PIN1蛋白的运动就像是被磁石吸引的铁屑一样。在这里，它们是被生长素吸引到了细胞的一侧。于是，每个细胞都按着一个非常简单的规则行事：把生长素向着临近的、生长素含量最高的细胞输送。这样就在某一点上产生了生长素浓度峰值，叶片就在这里生长出来。

随着茎或枝干的不断生长，一些细胞中的生长素耗尽，于是一些远离正在生长的叶子的细胞，就具有了比邻居更多的生长素。周边的细胞转而向这个方向锦上添花，生长素越聚越多，就产生了一处新的生长素浓度峰值，于是便长出了一片新叶子。2006年，研究证实，依据这条简单的规则，计算机模型可以产生出整齐有序的虚拟叶片。自然界中的植物叶片类型多样，而改变模型的参数也能产生出与之类似的不同叶片排列方式。

大同小异的原理也控制着叶片形状的形成，比如发育出锯齿状的边缘。英国牛津大学的发育遗传学家米尔托斯·桑第斯（Miltos Tsiantis）和他的同事们已经证实，拟南芥的叶片在生长素浓度峰值处会形成突起，在另一种据认为会抑制生长的分子的峰值处形成缺口。他们的研究以及建立的模型证明，简单的反馈回路，包括通过 PIN1蛋白输入生长素，可以使叶片边缘产生出交替的生长素和生长抑制素峰值，从而形成锯齿状外形。

有这些研究都表明，极性，即设想每个细胞都具有方向感，是塑造形态的关键。“你可能认为，哦，它不知道一头和另一头的区别，”英国诺维奇市约翰·英纳斯中心的植物发育学家恩里科·科恩（Enrico Coen）说，“但事实上，细胞确实有方向性。”他把这种现象比作是体育馆里的一群人，每个人都面朝着同一方向。

这种方向感也有助于解释自然界中可见的许多叶片形状。在2012年发表的一项研究中，科恩的研究团队把拟南芥叶片中的一些细胞用荧光标记出来，然后通过显微镜仔细观察该处组织如何生长。之后，他们设计计算机模型，尝试对观察到的变化做出解释。该团队已经能够用模型来重现这种生长模式。在该模型中，叶片组织知道应该向哪个方向生长，而且有能力以不同的速度生长。调节该模型的参数，例如，改变一种蛋白的含量，可以产生出一系列与天然叶片类似的形状，包括椭圆形和心形（参见《科学》，第335卷，1092页）。

对于塑造器官形态来说，除了细胞的方向感之外，对发育中器官的机械力作用也明显具有不小的影响。“某些时候，机械力是不可或缺的，”法国国家农业研究所的植物学家奥利弗·哈芒特（Olivier Hamant）说道。

2008年，哈芒特的研究团队证实，植物细胞会由于机械力的作用而改变某些组成的排列。细胞中有一种被称为微管的蛋白质纤维，当研究人员用两片特氟龙树脂挤压植物茎的顶端时，微管的排列方式变成了和树脂片平行（参见《自然》，第322卷，1650页）。这些微管驱使细胞加固附近的细胞壁，使细胞更难以向树脂片的方向扩张。

植物茎圆柱状外形的生长原理，也能够用这种受限的生长模式来解释。内侧细胞不断地向外推，茎表面的细胞也许就会强化一部分胞壁来对抗这种力。这也就使得外侧细胞在没有强化的方向上生长得更多，从而造成整个组织形成一种在垂直方向上拉长的形状。哈芒特的研究团队发现，根据这些规则设计出的模型，可以产生像天然植物茎那样的垂直的圆柱形。

机械力可能还赋予了植物细胞方向感。以生长素和它的“搬运工”PIN1蛋白为例。在理论中，每个细胞都知道周围的哪个细胞具有最多的生长素，每个细胞内的 PIN1分子都会向着最靠近它的那个细胞的一侧移动。然而，这个过程背后的机制并不清楚。

一种可能性是，细胞会对压力作出反应。如果一个细胞含有大量生长素，它的细胞壁就会变松，细胞就会膨大，从而拉伸与相邻细胞共有的那层胞间层，而那个邻近的细胞就有可能对此做出反应，把 PIN1蛋白聚集到这种压力的来源方向上。近期一项研究发现，当细胞受到机械压力时，PIN1蛋白也会像微管一样在与压力平行的方向上排列成行（参见《PLoS 生物学》，第8卷，e1000516页）。

要彻底揭开形态之谜，我们还有很长的路要走。不过，借助植物学家设计的各种关于结构发育的简单计算机模型，我们开始能够预测某一特定变化如何影响到形态。至少在理论上，这样的模型有朝一日将能够帮助我们设计出具有特定形状的植物。

当然，通过人工育种来影响农作物、花卉、鱼、狗、马和其他许多生命体的形态已经有数千年的历史了。例如，如果想要一种短腿狗，就用两只腿短的狗交配。不过绝大多数的育种工作都是摸索着来的，其中的机制并不清楚。而深入了解基因、形态发生素以及机械力之间的相互作用对生物形态的影响，将会打开许多新的可能。

对于机械力作用的不断深入的了解，已经帮助我们提高了组织工程学的水平。通过理解细胞对压力作用的反应方式，研究人员可以在实验室里培养出更好的替代组织，加快病人伤口愈合。例如，如果经常挤压，人造软骨就会更加坚韧，这和人们行走时对软骨的影响相同。

随着生物学家开始对形体发育进行更加细致详尽的研究，关于可能创造出新世界的想象，开始变得十分具有吸引力。这个新世界将不拘一格而又奇妙非常，拥有各式各样的新形态。现在，通过巧妙的处理，人们已经能够把植物改造成各种不同寻常的外形，用小箱子套住生长中的果实制造出方形的西红柿，通过园艺造型让树木呈现出椅子的形态，甚至用树根制造出活着的桥。但是，如果关于这些形状的指令都可以编码进种子的基因，一经播种便会迅速生长出来，那又会怎样呢？我们能创造出带把手方便搬运的西瓜，开出鲜艳兰花的雏菊，或是可以长成预置好的房子的树木吗？