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生命的成形 版權信息
- ISBN：9787559656988
- 條形碼：9787559656988 ; 978-7-5596-5698-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
生命的成形 本書特色
簡單的受精卵如何涌現(xiàn)出復雜的結構、行為與意識？ 在容易出錯的機制之下，人體如何精確地構造自身？ l 超越基于人類工程的平凡類比：從胚胎的**視角來看待發(fā)育的動態(tài)變化。沒有計劃說明、沒有工程圖紙、沒有外部指令，自組織、自維持、自修復——胚胎是一片自我創(chuàng)造之地，在復雜之上疊加復雜：歷史決定現(xiàn)在。 l 生命科學也是復雜性科學：以系統(tǒng)論超越還原論，頻頻尤里卡！圍繞核心原則“適應性自組織”，不拼貼信息碎片，用簡練的邏輯厘清知識的來龍去脈，讓讀者真正讀懂發(fā)育的原理，理解生命的成形由來。 l 又一位不把讀者當外行的作者：語言和內容一樣精彩。新鮮、認真，非常難得。 一個人出生前九個月的歷史，可能比出生后的幾十年更有意思
生命的成形 內容簡介
為什么女性備孕階段就要開始補葉酸？青春期很多孩子經歷過的骨折，為什么很多發(fā)生在手臂長骨上？人體為什么能在該長手臂的地方長手臂，手臂又為什么能長出上臂、下臂和手，手又為什么是五指而不是其他？我們如何從一顆受精卵發(fā)育成一個完整的人體，“我”到底從何而來？ 英國解剖學教授杰米·A. 戴維斯匯集了人類胚胎發(fā)育近年來的重要研究進展，綜合了演化生物學、胚胎學、新生兒科學、遺傳學、生理學、免疫學、畸形學等多學科領域的發(fā)現(xiàn)，既有經典認知也有前沿革新，以“適應性自組織”為核心邏輯，為我們清晰地描述了從微觀分子到宏觀形體等方方面面的發(fā)育過程與原理。不僅如此，作者還引入了數(shù)學、物理學、控制論等抽象思維，從拓撲學等角度來思考：完整的發(fā)育是如何實現(xiàn)的？人為什么會發(fā)育出現(xiàn)在的種種生理機制與形態(tài)？受到損傷之后再修復、罹患疾病之后再康復——我們又如何可以從發(fā)育的角度去重新認識人體機能的種種局限與可能？
生命的成形 目錄
前??言
1??遇見奇怪的科技 ……………………………………………………………………3
**部分??草??圖
2??從單細胞到多細胞 ……………………………………………………………… 21
3??造就差異……………………………………………………………………………35
4??形成身體計劃 …………………………………………………………………… 46
5??大腦之初……………………………………………………………………………66
6??分??割………………………………………………………………………………80
第二部分??增加細節(jié)
7??命運的對話 ……………………………………………………………………… 103
8??內部旅程……………………………………………………………………………114
9??管??道………………………………………………………………………………131
10??器官的形成 ………………………………………………………………………151
11??伸展手臂（和腿）……………………………………………………………… 165
12??Y染色體 ………………………………………………………………………… 177
13??神經線路………………………………………………………………………… 196
第三部分??精雕細琢
14??死亡造人……………………………………………………………………………215
15??制造意識……………………………………………………………………………222
16??比例之魅……………………………………………………………………………235
17??交友與迎敵 ………………………………………………………………………251
18??維修模式……………………………………………………………………………270
第四部分??展??望
19??觀??點………………………………………………………………………………297
詞匯表?? ?? 313
參考文獻?? ?? 322
延伸閱讀?? ?? 351
章節(jié)開頭的引用來源?? ?? 354
出版后記?? ?? 358
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生命的成形 節(jié)選
1 遇見奇怪的科技 一個人出生前九個月的歷史，可能比之后的七十年更有趣。 ——塞繆爾·泰勒·柯爾律治（Samuel Taylor Coleridge） 英國哲學家、詩人柯爾律治寫下以上這句話時，用的是成人的考究語言，表達的卻是每個孩子都曾有的好奇。他們問父母：我從哪里來？由于這很可能涉及兩性和應該在什么時候給孩子講解到什么程度的問題，很多父母會變得局促不安。提問的孩子對父母的心思一無所知，對他們來說，問題更單純，也更復雜：他們只想知道，一個全新的人，是如何從無到有出現(xiàn)的。 孩子從未得到全面而正確的答案，因為從來也沒人知道得足夠多。在柯爾律治寫作的年代，人們已經部分了解到，一個全新的人在子宮內生長的過程中，會經歷一系列解剖結構上的變化。但這些變化是怎樣的，又為何發(fā)生，在那時還完全是一個謎。過去的兩個世紀里，一代代科學家費盡心思，想要知道一個受精卵如何變成一個孩子。過去十年間的科學飛速發(fā)展，隨著錯綜復雜的人體機制展露在人們面前，神秘感稍稍退去，人類的敬畏之心卻越發(fā)強烈。研究人員正在發(fā)掘的這些故事足以震驚世人，但至今為止幾乎只出現(xiàn)在學術期刊上干巴巴的文字中。這是關于我們每個人的經歷的故事，理應屬于每一個人。寫作本書是一次嘗試，是一個恰好在該領域工作的科學家的嘗試。他匯集了近年來相關的重大研究進展，來解釋這個復雜的、帶著孩子氣的提問：我從何而來？ 我們現(xiàn)在對人類胚胎發(fā)育的理解絕非來自某一特定研究，而是綜合了從各個學科得到的信息。與發(fā)育直接相關的是胚胎學和新生兒科學，這些學科研究提供了與之相關的解剖和功能信息。遺傳學和毒理學為發(fā)育生物學帶來了更廣闊的視野，對甄別造成先天異常的原因有極大的價值。這非常重要，因為了解導致畸形的原因能夠幫助研究發(fā)育的科學家找到那些正常發(fā)育所必需的分子通路。生物化學和分子生物學會幫助研究這些通路的作用細節(jié)，甚至可以追溯到空間尺度上小到生物分子的原子之間的相互作用。細胞生物學致力于說明分子通路如何聯(lián)合起來控制每個細胞的行為。以更大的維度來論，生理學、免疫學和神經生物學揭示了眾多細胞之間交流與合作的種種細節(jié)。 以上提及的學科都從屬于生物或者醫(yī)藥科學，也是胚胎研究的傳統(tǒng)領域。近年來，還有一些學科初看上去和胚胎毫無關聯(lián)，但也給人類發(fā)育研究帶來了啟迪，例如數(shù)學、物理、計算機科學，甚至還有哲學領域的研究。這些研究并不提供哪個細胞什么時候做了什么的細節(jié)，而是關心有更深遠意義的抽象問題，比如：簡單的東西如何變得復雜？這些很容易出錯的機制是怎么完成精確的構造過程的？人類發(fā)育是否太過復雜，甚至超出了發(fā)育完全的人能夠完全理解的范疇？對于*后一個問題，人們從未達成定論，而何謂發(fā)育“完全”恰恰是爭論的焦點。關于前兩個問題，研究人員已經取得了重大的進展，他們找到的答案都與“涌現(xiàn)”（emergence）和“適應性自組織”（adaptive self-organization）這兩個概念有關。這兩個名詞分別位于更高層和更低層，是同一個問題必不可少的兩方面。那些關注高級行為的人喜歡用“涌現(xiàn)”：由簡單的組成和規(guī)則發(fā)展出復雜的結構與行為。“適應性自組織”是一種基于單個組分、由下而上的描述：簡單的組分遵循某些簡單的規(guī)則，就可以共同形成大規(guī)模的、巧妙或精致的東西。 我們對發(fā)育日益增進了解，其中有一點毋庸置疑：身體的自我構建與我們在建筑和工程中熟悉的構建方法截然不同。這凸顯了這樣一個事實，我們完全不了解自己身體的構造方法。這個事實有多諷刺，它本身就有多重要。讓我們來比較和對比一下生物系統(tǒng)和人類的建筑技術，這可能十分有助于理解胚胎的發(fā)育過程。 幾乎所有的工程項目，比如組裝機車、建造房子都有一個共同特點，那就是首先會有一個明確的計劃，通常是一張圖紙或者其他適應性自組織的同義詞，子類型還包括“群體智慧”“蜂巢思維”等。這些詞匯被用于人群和社會性昆蟲的研究，但用這樣的詞似乎太感性了，不太適合用在分子或細胞上。因此我在本書和以前寫作的書中都選擇了“適應性自組織”這個詞，在數(shù)學和物理領域，人們更常使用這個詞。類型的計劃書，其中會包括明確的預期目標。計劃書會詳細描繪出項目完成時的構造，但計劃本身并不是實體成果的一部分。每個項目都必須有人統(tǒng)籌全局，一個總工程師或建筑師，他利用有著一定等級結構的指揮系統(tǒng)，把指令傳達給負責切割、砌磚、焊接和粉刷的工匠。而由工匠完成的各個部分不能自主組合，只能依賴工人膠合、拴住或焊接。不過這些工人也不是*終建筑結構的一部分。工人和總工程師引入了大量的“外在”信息，例如焊接或澆筑拱門等，但這類知識細節(jié)并不會直接呈現(xiàn)在建筑上。大多數(shù)結構要等整個工程全部完工以后才會開始發(fā)揮預期的功能。 如果你在生物結構中尋找這類特征，就會深深意識到生物與傳統(tǒng)機械和土木工程之間的巨大差別。和工程項目不同，生命的構造過程并不涉及計劃書，沒有包含任何對*終結構的闡述。受精卵內（基因、分子結構、特定化學分子在不同位置的濃度差異）必定包含信息，但這些信息與*終的身體構成沒有簡單的對應關系。我們已經知道，這些信息可能續(xù)發(fā)之后的一系列事件（我們之所以知道，是因為我們改變信息之后，比如讓基因突變或者改變相關化學物質的位置，就會改變后續(xù)的發(fā)育步驟，導致發(fā)育出現(xiàn)異常）。 在工程項目中，特別是應用到數(shù)學的，建筑施工人員可以根據(jù)一系列指令把*終結構創(chuàng)造出來。告訴一個人，把一根木樁打入麥田的中央，在上面系一條繩子，抓住另一頭向遠處走，把繩子拉直，然后向右轉，保持繩子緊繃的同時繼續(xù)行走，這就是一個簡單的指導制作麥田圈的指令。對于有些結構，使用指示來說明，比畫滿細節(jié)的圖紙直截了當?shù)枚唷Ｈ绻闩銮墒诌呌泄P和紙張，嘗試跟隨下面的指令，畫一個被稱為謝爾賓斯基鏤墊（Sierpinski Gasket）的幾何圖案： 1. 畫一個底邊水平的等邊三角形，畫得盡可能大。把這個作為基底三角形。 2. 取各邊的中點，用線段連接每條邊的中點和相鄰邊的中點，一共畫三條線段。這三條線段會組成倒置的、占基底三角形四分之一面積的三角形。 3. 把這個倒置的三角涂黑。 4. 此時，基底三角形內有三個未涂黑的正置的三角形。把它們作為基底三角形，重復以上兩步。 （覺得無聊了就停下來；如果鉛筆夠用，就可以無限重復這個過程。） 把那些涂黑的部分想象成鏤空狀態(tài)，你得到的圖案就像某種鏤墊，這是分形，也可以說是自相似性（即任意放大后形態(tài)相似的結構）。另一個例子是康托爾集（Cantor Dust），這是一種在容易擦除痕跡的材料上很輕松地畫出來的結構。例如在黑板上畫一條線，擦掉中間的三分之一，創(chuàng)造出兩條相對較短的線。然后再擦掉短線中間的三分之一，制造出更短的線……一直重復這個步驟。不消一會兒，你就會得到帶有特別間隔的一系列粉筆短線。而這些間隔與大量自然現(xiàn)象有著相同的統(tǒng)計特征，例如沙丘傾塌的大小分布、漏水的水龍頭滴水的間隔，還有大地震、傳染病和大滅絕的發(fā)生間隔等。 即使在數(shù)學之外，與繪制出一張展示*終樣式的詳細圖紙相比，給出一系列規(guī)則而制造出一種特定的構造是一種更普遍的做法。美食教程如此，紡織說明也如此：簡單的有“一針正針，一針反針”這樣的圖案說明，也有復雜如雅卡爾（Jacquard）1801年發(fā)明的織布機上復雜的打孔卡——那可以說是世界上**臺可編程的制造設備。音樂也采用類似的說明方式，五線譜上的音符告訴樂手何時開始演奏，也會指示演奏的音高和時長。 長久以來，在我們的文化中，人們通常會通過一種簡單的方法，即給出說明書來詳述如何得到某種預期的結果。這讓我們很容易就接受一種想法：生物信息也通過類似的方式構建了我們自己。然而，這種想法很危險。其實二者之間存在一個關鍵區(qū)別：人類構建一個對象總是依賴一系列說明，并且由一個外在的智能中間人，理解并遵循這一系列指令后組建完這個對象。即使有些東西初看上去像例外的產物，比如針織機或是能自動演奏的鋼琴，但這些機器本身還是由那些中間人理解指令后完成的，所以它們并不是真正的例外。簡而言之，羊毛開衫、交響樂、小汽車和教堂都不能創(chuàng)造它們自己。指令、操作知識（比如針織、烹飪、焊接和砌石頭等）和對材料的物理操作都來自外部，而非構建中的結構本身。而胚胎中的信息與此相反，不需要任何外來的熟練工添磚加瓦或深思熟慮，只由胚胎本身接收信息與表達發(fā)育。不像大多數(shù)的技術構建需要某個人做總指揮，你很快就會明白，生物的構建由其中所有的元素共同參與。構建一個人的過程中，控制不是少數(shù)的、部分的特權，而是由系統(tǒng)作為一個整體來實現(xiàn)的。 要理解這種構建過程，我們首先要理解構建材料的特性。我的實驗室在愛丁堡大學，那附近有三座著名的橋：托馬斯·特爾福德（Thomas Telford）主持修建的典雅院長橋位于市內，本杰明·貝克（Benjamin Baker）標志性的福斯鐵路橋橫跨海灣，一旁還坐落著福斯公路橋。特爾福德的那座橋由石塊砌成：這些材料又大又重，只有在受到重壓后才會穩(wěn)固。他據(jù)此采用了傳統(tǒng)的建筑方法：首先建造橋墩，然后造了一個用來撐住橋拱的木制支架，接著往這個架子上堆積形狀適宜的石材，直到石材的重量足以穩(wěn)固支撐橋拱，再拆除木架。貝克用的是當時極其新穎的材料——鋼材來建造他的鐵路橋。這種材料既可以承受拉力，也經受得住壓力，因此他得以從橋墩處直接向外延伸鋼材，形成一種懸臂式結構；他們用起重機吊起那些長長的、相對較輕的型鋼，然后放到合適的位置，再用鉚釘把它們固定在一起。福斯公路橋是三座橋中建成時間*短的。這座懸索橋由緊繃的鋼索支撐，這些鋼索從兩側的吊塔上伸出，一直延伸到位于海灣另一側海岸的吊塔上。因此，造這座橋時首先要造吊塔，然后在吊塔后面為吊索建造牢固的錨碇，再一根根增加鋼索并拉緊，直到可以懸起整片路面。在以上各個例子中，材料的天然特性決定了建造橋梁的整體策略，每座橋梁都必須因材施工。生物界的建造策略也是如此，都取決于參與成分的特性。所以是時候介紹一下構成生物的三種重要成分了，我將在本書中一次次提到它們：蛋白質、mRNA和DNA。 目前，生物結構中已知*重要的分子是蛋白質。它們構成了*重要的物理結構，賦予細胞特有的形狀；控制物質出入細胞的通道和離子泵也由它們構建；另外，驅動和控制生命活動中化學反應的酶還由它們組成。這些生化反應包括合成DNA、生成脂肪和糖類的代謝途徑，這些物質也是身體的組成成分。蛋白質的相對重要性在紅細胞中體現(xiàn)得*為淋漓盡致。紅細胞在成熟過程中會丟棄細胞核，其中包含著細胞的所有基因。成熟的紅細胞可以持續(xù)生活 120天左右。但如果一個細胞失去了蛋白質功能，僅僅保留基因，那它們活不過幾秒鐘。 蛋白質是由一個個氨基酸組成的長鏈。人體內有20種氨基酸，它們形狀不同，化學性質各異。這些氨基酸之間能夠產生相互作用，氨基酸鏈也因此傾向于折疊成復雜的形狀：有時候是自主折疊，有時候還會借助臨時的“幫手”。折疊過程極其錯綜復雜，以至于人們目前還沒有能力在已知氨基酸序列的情況下，精確推斷出蛋白質的*終結構。（雖然人們已經開發(fā)出了預測蛋白質結構的電腦程序，但編程過程中涉及的計算和概率推理過程，都以已知的蛋白質結構與序列關系為基礎，這些都是通過氨基酸序列和X射線晶體學得到的結果。預測蛋白結構有點像預報天氣，就是稍微準確一點。） 不同的蛋白質，其氨基酸序列不同。一個又一個的氨基酸根據(jù)另一種生物分子信使RNA（也稱mRNA，請見圖1）指定的順序添加到不斷增長的蛋白質鏈中。mRNA分子也由多個單元鏈接成的長鏈構成，它們的構成單元是四種堿基：A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）和U（尿嘧啶）。這些組成單元十分相似，相對于氨基酸來說，它們在化學活性上相對簡單。細胞中的mRNA除了指導生長中的蛋白質添加氨基酸的順序，就沒什么其他用處了。蛋白質上的氨基酸序列由mRNA上的堿基決定，三個堿基排列成一組，共同決定一個氨基酸。 mRNA的堿基序列直接由DNA的堿基序列決定，DNA是由A、C、G和T四種堿基串聯(lián)而成的長鏈分子。這些堿基可能按照任何順序排列。參與構成我們人體46條染色體核心的每個DNA分子都有數(shù)百萬個堿基。這里面就包含了組成基因的一個個片段。一個基因被讀取后，DNA上的遺傳信息會被復制到RNA上：根據(jù)DNA堿基Ａ、C、G、T的順序，轉化為RNA的A、C、G、U的語言。因此，RNA實際上是一種復制了遺傳信息的不同媒介，或稱為“轉錄本”（transcript）。正式讀取基因編碼的任務由蛋白質執(zhí)行。它們首先會結合ATAAT、TCACGCTTGA這類堿基短序列，這些序列常見于基因的起始處附近。不同的基因，其附近的短序列也各不相同，而不同的序列又會結合不同的蛋白質——因此，讀取不同基因的蛋白質組合各不相同。 不同的基因會由相應的DNA結合蛋白結合并啟動，這點十分重要，因為身體上的不同細胞需要制造出各自所需的蛋白質。例如腸道中的細胞會制造消化食物的蛋白質，卵巢中的細胞能制造產生性激素的蛋白質，白細胞能制造對抗感染的蛋白質。盡管這些細胞都含有基因組上的所有基因，包括永遠都用不到的那些，可是只有細胞需要的那些基因會被讀取出來，因為細胞中只有針對那些基因的DNA結合蛋白。 寫到這里，我們不得不接受這樣的事實：在細胞或胚胎中，并沒有什么“總負責人”。簡言之：生命體合成出蛋白質，僅僅是因為活躍的基因（通過mRNA）指定了這個制造過程。而這些基因之所以活躍，只是因為已經存在啟動它們的蛋白質。這是一個循環(huán)邏輯：哪里都不受控制，因為哪里都有控制（請見圖2）。
生命的成形 作者簡介
杰米·A.戴維斯(Jamie A.Davies)，英國愛丁堡大學實驗解剖學教授。從1995年開始在愛丁堡大學運營自己的實驗室，研究重點是哺乳動物器官的自我構建過程，以及如何利用這些知識為有需求的人構建新的組織或器官。他在哺乳動物發(fā)育領域已經發(fā)表了約90篇研究論文，出版過一本重要的專著《形態(tài)發(fā)生機理》(Mechanisms of Morphogenesis)，并參與編輯了三本關于發(fā)育、干細胞和組織工程領域的專著。他是英國皇家醫(yī)學會研究員和高等教育學院研究員，也是《器官發(fā)生》(Organogenesis)期刊的主編。 譚坤，就職于大理大學東喜瑪拉雅研究院的科研人員，想做個下得海上得山，還能享受文字的生態(tài)學家。 郭懌暄，畢業(yè)于北京大學基礎醫(yī)學專業(yè)，目前在美國猶他大學從事發(fā)育和表觀遺傳學研究。
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