演化之美，發育之魅

作者：中國科學院大學華大教育中心 破壁者

演化之美，各美其美；

發育之魅，百魅橫生。

生命之玄，玄之又玄。

探索之妙，妙不可言。

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演化時間軸：

46億年前

地球誕生

35億年前

第一個原核生物出現

5億年前

物種大爆發

4億年前

無脊椎動物進入全盛期

志留紀

陸生節肢動物出現

石炭紀

巨型有翅昆蟲出現

二疊紀

魚類、兩棲類出現

三疊紀

恐龍出現

白堊紀

地球溫度下降，地殼運動增加，開花植物和真鳥出現

6500萬年前，恐龍滅絕，此後哺乳類開始興盛，哺乳類總分出了靈長類，人類開始登上歷史舞臺。

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演化：適者生存

歷經數次大滅絕，存活下來的物種，不一定是力氣最大，飛的最高，跑的最快的，而是最能適應環境的（Survive of the fittest）。

鷹擊長空，魚翔淺底。大魚吃小魚，小魚吃蝦米。生物圈的不同個體存在千絲萬縷的聯繫，牽一髮動全身。

世界上沒有兩片完全相同的樹葉，也沒有兩個完全相同的物種。

在商場，企業會可以根據自身優勢，劣勢，機遇與挑戰，細分領域，劃分市場，鎖定目標群體，從而在競爭中脫穎而出。

在生物圈，各個物種堪稱細分領域的大師。

基於時間（春、夏、秋、冬、黃昏、拂曉、正午、清晨）、空間（河流、湖泊、海洋、淺水、深水、山地、丘陵、沙漠、低空、高原），食性（肉食、草食、腐食），繁殖方式（無性、有性、孤雌），物種細分出各個生態龕位，找到自己的定位，在這個及其獨特的生態龕位裡，該物種具備相對競爭優勢，因而可以在殘酷的生存競爭中立於不敗之地。

譬如，一片樹葉上不同物種的昆蟲，有的白天活動，有的晚上活動，有的吃葉子正面，有的吃葉子反面。

俄羅斯科學家格烏司把大草履蟲與另一種袋狀草履蟲放在同一環境中進行培養，結果兩者都能存活下來，並且達到一個穩定的平衡水平。原因是袋狀草履蟲佔用的是不被大草履蟲所需要的那一部分食物。

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發育：由簡到繁

道德經裡面說，道生一，一生二，二生三，三生萬物。基因是菜譜，發育則是把菜譜做成美味佳餚的烹調過程。

人類胚胎的發育，歷經精卵融合，卵裂，2細胞，4細胞，8細胞，……，桑椹胚，囊胚，原腸胚，器官發生一系列過程。胎盤和臍帶作為母嬰交互的界面，為胎兒輸送養分和氧氣，同時還可以介導對胚胎的免疫耐受，使脆弱的胚胎免遭免疫大軍的荼毒。九月懷胎，一朝分娩，一個小生命呱呱墜地。

從受精卵到性成熟，發育相關基因經歷了一系列精密的調控。基因表達調控是發育生物學中一個比較核心的問題，即轉錄因子與順式調控元件的互作如何決定基因的表達模式（基因何時何地以什麼樣的水平表達）。

果蠅

以果蠅為例，在卵細胞中，來源於母體的基因首先開始表達。母體基因及下遊基因在胚胎中的濃度梯度分布，決定了胚胚胎的前後軸、背腹軸、遠近軸。

果蠅的早期發育受三類基因調控：間隙基因（gap genes），成對基因（pair-rule genes）和體節極性基因（segment polarity gene）。

這三組基因層層調控。

間隙基因（kr、kni）將胚胎劃分為3個區域。

成對基因將胚胎進一步劃分為各種體節。

體節極性基因（en、wg）維持體節特徵。Hox基因被體節極性基因激活，調控體節的發育和分化方向。

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以子之矛：攻子之盾

病毒和宿主，相愛相殺，存亡齒寒。

在軍備競賽的道路上，二者你來我往，互通有無。病毒依託於宿主，生存繁衍。宿主依託於病毒，遺傳變異。我們的免疫系統因病毒的無孔不入而變得」牢不可破」。

病毒的逃避機制因為宿主的圍追堵截而變得」無堅不摧」。

矛與盾，攻與守。造化弄人，攻防轉換之間，悄然塑造出了多姿多彩的生命世界。

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無演化：不生物

Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution（Dobzhansky，1973）。

演化發育生物學可追溯到19世紀初馮.貝爾所創立的比較胚胎學。

演化發育生物學，以物種為研究對象，以百萬年為基本時間單位。透過ATCG的序列揭秘驚心動魄，波瀾壯闊的物種興衰史。

基因組是天書，

是史書，

亦是預言書，

需要在演化發育的框架下解讀。

疾病的底層邏輯是發育，發育的底層邏輯是演化。

做生物學研究，

需要往前看五億年，追溯歷史。

往後看五億年，預測未來。

颶風起於青萍之末，歷史的年輪周而復始，把握住了歷史的脈絡，就有可能應對接踵而至的機遇和挑戰。

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無窮之形 最美

Evo-devo領域的知名學者Sean Carroll在Endless forms most beautiful4一書中指出不同物種間發育過程的差異主要在於toolkit gene表達模式的差異。

Toolkit gene的典型代表是Hox基因，即「同源異形」基因，該基因家族是動物形態藍圖的設計師。

Hox基因的突變，就會在胚胎發育過程中導致某一器官異位生長。例如，果蠅的同源異型基因Antp的突變，導致果蠅的一對觸角被兩隻腿所取代5,6。

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演化發育&基因編輯

基因編輯技術的發展為演化發育研究帶來了無限的可能性。

是否可以通過基因編輯，打開控制肢體發育的調控元件，激活蛇的肢體發育的程序？

推而廣之，利用基因編輯重演演化史上的經典事件？

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生活處處皆演化

演化發育生物學是一種思想，也是方法論，既可以應用於任何生物學研究課題，也可以應用於生活的方方面面。

每個物種，能夠存活繁衍至今，自有其生存的邏輯及存在的價值。

智人，作為迄今為止最為成功的物種，高度發達的科技可以讓我們上天下海，主宰一切物種的存亡，甚至具備毀滅這個星球的恐怖力量。

可是我們真的是這個星球的主人嗎？

抑或不過是過客？

三葉蟲曾經是深海霸主，而今煙消雲散。

恐龍曾經興盛億年，依然化作歷史的塵埃。

智人出現至今，不過短短數十萬年。我們把自己稱為「智人」，隱含了一種智力上的優越感。

然而，人類在生命之樹中，不過是一個普通的結點罷了。對大自然，對生態，對地球，我們是否應該存有一份敬畏之心？

人與自然，以及其他物種，是否可以更加和諧的相處？

蘇子有雲「寄蜉蝣於天地，渺滄海之一粟」。

唐寅也說過「不見五陵豪傑墓，無花無酒徒作田」。

白雲蒼狗，不過彈指一揮間。貴如王侯，亦難逃生老病死的自然宿命。既然個體如此渺小，生命如此短暫。

那麼活著的意義究竟是什麼呢？

如何證明我們曾經存在過？

自由意識是否只是一種幻覺？

如此想下去，難免會陷入虛無主義的泥淖。然而，基因可以延續，文明可以傳承，我們這個物種可以永遠生活在這個星球上(直至滅絕為止)。

個體死亡之後，肉身固然會消失，但是我們的智慧和經驗將會以文字和語言作為載體匯入整個人類的思想庫，如同江河大海一般奔騰不息，永不枯竭。

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最後借用薩頂頂《萬物生》中的幾句歌詞結束此文：

萬物生

我看見山鷹在寂寞兩條魚上飛，

兩條魚兒穿過海一樣鹹的河水，

一片河水落下來遇見人們破碎，

人們在行走身上落滿山鷹的灰。

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參考資料

1、https://earth.aomi365.com/a/100.html

2、https://www.jianshu.com/p/9f9383317295

3、http://www.cella.cn/book/14/03.htm

4、Endless Forms Most Beautiful:

The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom，Sean B. Carroll，

W.W. Norton & Company, 2005

5、https://en.wikipedia.org/wiki/Hox_gene

6、http://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-1049572.html