文章專區

胚胎發育和細胞分化

胚胎發育成完整生物個體的過程可以從兩個層面來觀察。純粹以形態來說，不同脊椎動物的胚胎剛開始非常相似。所有物種都是從一堆細胞開始，漸漸形成器官、四肢、頭、眼睛。在胚胎發育的初期階段，我們很難分辨豬、羊、兔和人的胚胎，差異是慢慢才越來越明顯的。即使是人類的胚胎，在發育的前幾個星期跟許多哺乳類動物一樣有尾巴，這條尾巴後來才退化成尾椎。第一批有系統比較不同物種胚胎在個別發育階段情形的科學家們假設，胚胎的發育歷程也就是物種進化階段的快速再現。
                            
我們觀察原始的那一堆細胞，就說是32個細胞吧：在什麼時候這些細胞知道要發展成為神經細胞、肝臟細胞、皮膚細胞或是肌肉細胞?它們又如何避免產生混亂？這是特別奇特的地方，因為這堆細胞裡的所有細胞都有同樣的基因架構，相同的基因組。如果我們觀察細胞分裂的時間久一些，可以確定某個時候細胞開始分化，並且決定細胞將成為肌肉細胞還是腦細胞。原始的細胞是全能的（totipotent），這表示，它們基本上可以發展成為任何類型的細胞。科學家在實驗中證明了這一點，他們把原始的那堆細胞簡單地一分為二，而兩個部分都能各自發展成為一個完整的生物個體。
 
細胞在分化過程中會採取哪些步驟，取決於內部的發展歷程和周圍環境，也可以說它們「觀察」周圍發生了什麼事。當細胞分化的過程向前開展，細胞失去它們的全能，變得多能（pluripotent），不能再發展成所有的細胞類型，只能成為少數幾種細胞。細胞分化的一連串反應具有關鍵性，使胚胎從毫無結構的一堆細胞發展成為高度分化的生物個體。當這些細胞一旦往細胞分化的過程邁出第一步，就幾乎是無法回頭了。人們稱之為不可逆轉性。發育生物學家康拉德．哈爾．沃丁頓（Conrad Hal Waddington）於1940年用著名的圖畫來比喻細胞分化。
 
一顆彈珠從有山脊和山谷的地形上滾下來，往山谷去的地形會越來越分歧，剛開始彈珠滾過寬闊的山谷，後來這個山谷分成兩個山谷，這是兩種可能的滾動途徑。彈珠滾進其中一條，兩座山谷沒有旁側通道，因為一座山脊阻擋在中間。這樣的過程在彈珠往下滾動時不斷重複，直到彈珠最後滾進一個最終狀態，這是眾多終態的其中之一，而每個終態也都被區隔開來。這幅畫說明了不可逆轉性，彈珠無法簡單地從一個軌跡滾到隔壁的軌跡上去。這也適用於細胞分化，不僅在胚胎發育上很重要，每天你的身體裡有幾百萬的細胞從幹細胞中新生，例如位於脊髓的幹細胞，跟胚胎裡的幹細胞類似，是多能的，能從一個細胞種類經由連續不可逆轉的細胞分化過程發展為許多其他的細胞類型。

不可逆轉性是個關鍵，可以避免在發育期間及將來產生混亂的情形。例如腦部的神經細胞不能輕易地像幹細胞一樣的分裂，這將是一個有嚴重後果的錯誤。許多癌症疾病就是這樣產生的：因為基因改變，完全正常的組織細胞突然再次得到自行分裂的能力，進而不受控制地增生，一個腫瘤應運而生。
 
當幹細胞發展成不同類型的特殊細胞時，幹細胞的內部到底發生了什麼變化？細胞裡面應該有某一個開關可以被打開或是關上，並在後續的細胞分裂過程中保持這個狀態。另外，細胞也需要一個感應器，以便「知道」周圍發生什麼事。情況正是如此。個別細胞類型內部會在不同時期「表現」出不同的基因。簡單地說，每一個基因可以建構一種對細胞內生化反應很重要的蛋白質。有些基因不停製造蛋白質，其他基因只能在特定條件下才會製造蛋白質。我們可以簡單地想像一下，當個別基因製造蛋白質，它們被打開；當它們不製造蛋白質，就被關上。而打開關上一個基因又會產生其他經由特定基因製造的蛋白質。
 

基因調控網絡的複雜性

基因彼此互相調節影響，所以一個細胞的整體基因系統叫做基因調控網絡，它的作用有點像電腦電路。一個單獨的基因常常能控制其他許多的基因，而其他的基因又會受到外在條件的調節。在細胞分化過程中，隨著外在環境改變，不同基因逐漸關掉彼此，最後也保持關著的狀態。不同的細胞類型簡單地說就是處於整個基因調控網絡中的不同狀態。人類的基因組有大約20000個基因（這跟我們如何計算和定義「基因」有點關係），而這20000個基因以複雜的方式互聯。
 
麵包酵母是一個簡單的單細胞有機體，擁有6500個基因，並不比人類遜色太多。尋常的家鼠、雞或是河豚擁有的基因數跟人類差不多。白雲杉或是玉米的基因數超過人類的兩倍，衣索比亞的肺魚基因組大約是人類的43倍。複雜性的祕密以及有機體的差異，原因不只在於基因，而是基因互聯的方式和對彼此的影響。
 
同是物理學家、生物學家和醫生的斯圖亞特.考夫曼（Stuart Kauffmann）在1969年用數學研究基因調控網絡的複雜性，屬於該項研究的第一人。他的抽象模型是由一組基因加上簡單的開關組成，考夫曼模型的一個簡單版本是這樣運作的：一個基因是一個具備兩種可能情況的開關，打開或關上，數學上的0或1。包含全部基因的整體系統情況可以用一連串的0和1來描述，這個序列的任何地方是一個基因的編碼。在一個由3個基因組成，序列是「011」的系統表示：基因1是關，基因2和3是開。一組3個基因可以有2×2×2=8個不同的整體情況：000、001、010、100、011、101、110和111。可能的組合數目會隨著基因的數目快速增長，10個基因可以產生1024個組合；100個基因就有1267650600228229401496703205376個組合（這是二乘二一百次的結果）。

在考夫曼的模型中，每一個基因得到隨機選取的其他基因當作輸入，這些輸入可能是正面的或者是負面的，當負面的輸入居多，這個基因會被關掉；正面的影響居多，基因打開並影響其他的基因。如果我們在模型中從所有基因的任意一個起始狀態開始，它們會逐漸改變自己的狀態，直到系統達到一個平衡的組合狀態為止。
 
考夫曼在研究中發現了一些讓人驚訝的東西。儘管開關的可能組合很多，一個網絡從任意一個初始狀態開始，會完全很自動地發展到少數幾個最終狀態裡面的一個，這些最終狀態非常穩定。如果人們稍稍干擾這個系統，例如經過外在的影響，這個系統會自動回歸到穩定的狀態，就像一顆彈珠還是會滾回溝槽裡面一樣。只有當干擾很強烈的時候，整個系統會轉換到另外一個穩定的狀態。更有甚者：基因調控網絡很牢固，即使我們將零星幾個基因之間的聯繫切斷，或是隨機建立新的連結，網絡還是能繼續找到最終的組合狀態。模型網絡可以說是多穩態（multistable）而且牢固的。
 
雖然結構簡單的考夫曼模型是為了了解基因調控網絡的特性而發展出來的，但是多穩態和牢固的核心特性也適用在其他領域，尤其是在網絡結構中動態的單一元素會互相影響的領域。最好的例子是神經網絡，例如我們的中央神經系統。雖然這裡有點複雜，但是我們能把單一的神經細胞當成開關來理解，它可以調節其他神經細胞的活動，經由感官刺激會引發並處理一連串的切換過程。多穩態在這裡意味，例如神經網絡可以區分一隻狗和一隻貓區別，因為在處理感官刺激的過程中，兩個感官印象各自分屬一個穩定的內在網絡狀態，而這些網絡也特別牢固；即使神經系統中的實質部分受損，系統還是能運作。
 

生態網絡

生態裡具有多穩態和牢固特性的網絡具有特殊意義。不管我們是觀察地球上哪一個生態系統，亞馬遜河流域、西伯利亞、深海、大堡礁、沙漠、瓦登海濕地（Wattenmeer），或是柏林附近的古納森林（Grunewald），每一個系統裡有幾百萬個物種共存，彼此互相影響，物種的多樣性大到難以統計。前不久才有人估計，地球上大約有八萬種脊椎動物，大約七百萬的無脊椎動物，包括五百萬的昆蟲種類，大約有四十萬植物品種，一百五十萬的真菌種類。如果把微生物有機體，也就是細菌和古菌也算進來，最新的研究估計地球上有超過一兆個物種。我們每天在生活中觀察到的，例如在森林散步時看到的植物、動物、真菌，是整個物種多樣性中微不足道的一小部分，而微生物的多樣性又是我們所見生物的十幾萬倍。
 
單單在你的消化系統中就生存了5700種細菌，皮膚上大約有1000種，口腔和咽喉1500種左右。

在生態系統裡，所有物種以複雜的方式互相連結並彼此影響。有些物種餵養其他物種，而牠們又把其他生物當作食物；真菌類和植物以共生的形式合作；物種也會爭奪有限的資源。不同物種之間的關係常常會用食物鏈來圖示，不過英文字「食物網絡」（foodweb）更能表達出生態系統關係的網絡特色。然而最普遍的圖示一貫只標示出我們看得見的物種，而常常忽略了微生物。生態網絡做為一個整體的系統形成動態平衡，也被稱為穩態（homeostasis）：所有的東西都在活動，但是保持平衡。
 
一個健康的生態系統就像基因調控網絡一樣非常穩定，外在影響難以撼動，例如氣候的變化或是偶發的干擾。它能忍受四季的變化、惡劣的天氣，還能忍受我們人類到幾乎難以想像的程度。觀察我們是如何對待大自然的，我們會很訝異生態系統沒有像骨牌一樣接二連三崩潰。舉個例子：當人類十萬年前從非洲遷徙到世界各地並逐漸定居下來，所到之處的巨型動物在最短時間內被消滅殆盡，一萬兩千年前北美洲的長毛象、劍齒貓、駱駝、美洲獅就這樣消失了，南美洲的巨型樹懶和巨型穿山甲也絕跡，但是這些生態系統並沒有瓦解。如果一片森林被澈底砍伐，大自然很快就會重新開始在被開墾的土地上長出新的森林。生態系統的牢固性要歸功於自我調控的網絡結構，是它把大自然牢牢團結在一起。

對大多數的物種而言是這樣的：當只有一個物種在某個地區消失了，不論是因為偶發的事件或是經由外在環境的改變如嚴冬，整個系統並不會因此瓦解，它們之間的關係只會有些改變。如果接下來一年的植物、昆蟲或是細菌種類數目不再那麼多，系統可以經由不同物種的網絡調控，重新找到平衡狀態。
 

但是，並不是一直是這樣。讓我們繼續看下去。
 

書　名｜世界的模型——從複雜系統觀看自然與社會的運作，建構理解世界的新邏輯
作　者｜迪克.柏克曼（Dirk Brockmann）
譯　者｜彭意梅
出版社｜商周出版
出版日期｜2023年8月
 
如何看出繁雜和混沌的秩序與結構？
生物行為和人類行為之間隱藏著什麼共同模式？
自然科學與社會科學如何攜手合作，解決關乎群體的重大議題？
 
複雜學學者迪克．柏克曼關注這個時代的危機，在書中探討它們之間的模式、規律性，以及它們與自然界複雜進程的相似之處。例如森林大火與流行傳染病、覓食的金頭鯛與民粹主義，看似是獨立現象，彼此卻相依與相關。發現這些關聯具有高度啟發意義，因為可藉由對一個系統的認知去破解另一個系統的難題。作者舉出許多實例，幫我們建立起觀看世界的新邏輯。