存在是一
——巴门尼德的《论自然》
万物皆数
——毕达哥拉斯
万物皆流
——赫拉克利特
道生一，一生二，二生三，三生万物
——老子的《道德经》
在物质世界中，生命的纷繁杂沓令人惊叹——在地球上栖居的生命形态（物种）有数百万之多！它们从何而来？如何而来？为何而来？这些问题迄今都还难以准确回答。但是，人类对生命及物质世界的存在、本原与演化的思索与探寻并未歇息。早在古希腊，哲学家巴门尼德就指出，存在是一，是连续的、不可分的；毕达哥拉斯认为，万物皆数，数是万物的本质，是存在由之构成的原则；赫拉克利特宣称，万物皆流，变是永恒不变的。我国春秋时期的思想家老子主张“道”生万物，是一个从少到多、从简单到复杂的过程。在巴门尼德的眼中，存在是永恒的、唯一的、不动的；而在赫拉克利特的眼中，世界没有永恒的存在，只有永恒的变化，即永不停息的创造与毁灭，周而复始的循环......
近百年的自然科学成就佐证与充实了古代哲人的伟大预言。宇宙中的万事万物其实就是一场场在能量驱动下用简单制造复杂的游戏，从原子（质子、中子和电子）→化合物（无机和有机）→细胞→个体（组织和器官）→物种→群落→生态系统→景观→生物圈。这是一个从简单到复杂的层次化的嵌套体系，每个层次均拥有若干基本构件，以及一定的自组织与结构化能力，正是它从低层次的量创造出了高层次的质——新的存在和法则！这个世界表象复杂而本质简单，是一个用形形色色的积木搭建起来的世界，是一个个令人眼花缭乱的魔术表演，而用简单堆砌复杂是宇宙万物相互联系之本质所在。
1. 用质子拼装出各种化学元素
宇宙中的万物（包括地球上的一切无机与有机物质）归根结底都由一些简单的化学元素组成，而原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位。一般来说，一个原子由一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子所组成（图1），而原子核由带正电的质子和电中性的中子所组成，电子的质量大约仅有质子质量的1/1840。当质子数与电子数相同时，这个原子就是电中性的；否则，就是带有正电荷或者负电荷的离子。质子数决定原子所属的元素，而中子数则决定该原子是此元素的哪一个同位素。
图1 氦原子结构示意图，图中灰阶显示对应电子云于1s原子轨道之概率密度函数的积分强度，而原子核仅为示意，质子以粉红色、中子以紫色表示（引自维基百科）
形象地说，质子与中子像积木一样拼出了各种元素及其同位素。现已发现，地球上的化学元素多达110种，早在一个多世纪以前，化学家就认识到，如果指定氢的原子量为1，那么各种元素的原子量则是氢的整数倍，因此，所有的元素看上去好像是氢原子的聚集体一样。
质子的成核反应并不容易，它需要巨大的能量推动，称为核聚变（图2），这就是太阳的核心正在发生的反应，在那里，质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥（库仑障壁）而融合成新核。此外，一个较重的核也可通过放射性衰变而分裂成两个较小的核，称为核裂变。原子核中质子数的变化就意味着元素的变化，而原子核中的中子和质子还可以通过吸收和释放π介子互相转换。
图2 核聚变示意图，图中两个质子聚变生成一个包含有一个质子和一个中子的氘原子核，并释放出一个正电子（电子的反物质）以及一个电子中微子，最重的中微子的质量大约也只有电子质量的一千万分之一（引自维基百科）
组成地球上物质的大部分原子在太阳系形成的瞬间就基本定格了，而另一部分原子则是核衰变的结果（人们正是依据它们的相对比例来推算地球年龄的）。之后，地球表面的绝大多数化学元素是稳定的，但元素之间的相互作用并未停息，特别是，在太阳光能的驱动下，一些化学元素之间相互结合不断形成各式各样的有机化合物，并导致了生命的出现。地球上的生命既是物理化学过程的产物，它们反过来也不断地改造地球环境。
2. 用小分子模块拼装出生物大分子
在太阳系中处于得天独厚位置的地球，在漫长的地质历史过程中，用简单的元素制造出了许多复杂的有机化合物，其核心是通过各式各样的电子传递链将太阳光能转化成化学能，储存于能量货币—ATP之中，再用于各式各样生物大分子的拼接，而这些生物大分子再进一步拼接出了地球上数以千万计的生物物种。主要的生物大分子—核酸、蛋白质和多糖的拼接过程是一种在酶催化下的脱水缩合反应，分别形成磷酸二酯键（图3）、肽键（图4）和糖苷键（图5）。
图3 相邻二个核苷酸之间通过3’，5’－磷酸二酯键进行脱水缩合反应而形成核酸（引自Nelson and Cox 2004）
图4 肽键的形成（引自Nelson and Cox 2004）
图5 糖苷键的形成（引自Nelson and Cox2004）
核酸、蛋白质和多糖由为数不多的小有机分子模块聚合而成。DNA由4种核苷酸（核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成）缩合而成，其中，戊糖和磷酸是不变的，而碱基只有四种—腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。由三个不同的核苷酸形成一个遗传密码子（一共有43=64个密码子），而蛋白质上的每种氨基酸都对应于一个密码子。无论多么复杂的DNA都是由A、G、C、T组合而成。也就是说，一个物种的基因数目可以成千上万（如人类的基因数目多达2-2.5万个），但也只是4种核苷酸的不同排列组合而已。蛋白质由20种氨基酸拼装而成，虽然迄今为止，在蛋白质数据库中已存有接近5万个原子分辨率的蛋白质及其相关复合物。而多糖一般由少数单糖聚合而成，而在自然界中分布最广且最为重要的一种单糖—葡萄糖则是绿色植物通过光合作用制造的，即植物利用太阳光能裂解了H2O，将H用来还原大气中的CO2，同时向大气释放了副产物—O2。
大分子的拼装方式令人眼花缭乱，在较低层次上的量变能制造出较高层次上的质变。譬如，同样的构件，只是略微修饰了一点结构，再稍稍变换一下连接位置，就能制造出性质完全不同的物质（图6）。
图6 葡萄糖的两种异构体（相互之间可变换）拼接出两种性质完全不同的物质—淀粉和纤维素（引自Reeceet al. 2011b）
3. 细胞器的内共生起源——将细菌吞噬与同化
在生命的演化历程中，原核生物最先出现，之后才有了真核生物。真核细胞的一些重要的细胞器（如线粒体、叶绿体等）来自原核生物，即真核细胞可能通过吞噬原核细菌进行了拼装（称之为内共生），譬如，真核细胞中的叶绿体的祖先可能是蓝细菌（图7），线粒体的祖先可能是好氧细菌。支持内共生的证据是：线粒体和叶绿体都含有自己的DNA，与细胞核的DNA相比，更类似于细菌的DNA，核DNA包含了一些可能来源于叶绿体的基因，此外，细胞器的大小与细菌也相当。这种内共生方式也表明，真核生物的基因组不可避免地会大量借用细菌的基因。
图7 基于对具有质体的真核生物的研究推测，叶绿体起源于一种被祖先异养真核生物所吞噬的革兰氏阴性蓝细菌（初级内共生），然后分化出红藻和绿藻，其中的一些再被其它真核细胞所吞噬（二次内共生）（引自Reeceet al. 2012）
此外，真核生物后裔享受着古老原核生物祖先的基因创造。最近的研究表明，与生命基本代谢（核苷酸代谢、氧化还原/电子传递等）相关的基因原始创新几乎是在细菌时代完成—发生在太古代的短暂的遗传革新，伴随细菌的快速分化，诞生了27%的现代基因家族。而进入真核生物时代后，主要发生的是基因的拼装—转移和重复（Davidand Alm 2011）。人类基因组测序结果表明，现代人类体内还借用着20%的细菌基因！真核生物就是依赖这种转移和重复的基因重组方式推动着物种的快速遗传分化（InternationalHuman Genome Sequencing Consortium 2001）。此外，真核生物体内大量存在的假基因（垃圾DNA）也是这种拼接的一个有力证据。
4. 用细胞堆砌出五颜六色的生物个体
在生命世界中，一切复杂的有机体（如人、大象、参天大树等）都是有一个个微小的细胞（通常用显微镜才能辨识）拼接而成的，如人体平均大约由多达一千万亿（1015）个细胞堆砌而成。在各种生物中，不同组织的细胞往往会与功能相适应地进行特化（图8）。可以这样说，微小细胞的拼接创造了生物界的无限复杂性。
图8 水生植物—伊乐藻的薄壁组织细胞和陆生植物—白蜡树的纤维细胞（引自Reeceet al. 2011b）
此外，复杂真核生物有时还需借助与原核生物的共生来维系生存。譬如，一些高等动物体消化道中就共生有很多异养细菌，这些细菌群落变成了高等动物不可或缺的组成部分，没有它们的帮助，很多高等动物无法有效地消化吸收食物。譬如，牛依赖胃中的细菌消化草料，人肠道中帮助消化的细菌数量更是多得惊人。
5. 个体发育——用模块搭建躯体
如何从一个单细胞的受精卵发育成一个由数以百亿或千亿细胞构成的复杂有机体？发育模块化似乎是一种普遍的选择，相关证据来自传统的实验胚胎学（胚胎移植）研究和现代分子生物学研究。
1924年，德国胚胎学家、诺贝尔生理学或医学奖得主施佩曼（Hans Spemann，1869－1941）与助手曼戈尔德（Hilde Mangold，1898 –1924）用两栖动物的胚胎完成了一个组织者移植实验：将一种蝾螈胚胎的一小块移植到另一种蝾螈胚胎的一个新的位置上，结果诱导出一个局部的次生胚胎，这个移植的组织取自胚孔的背缘，胚孔是两栖类胚胎背面原肠开始形成部位的裂缝口样内陷结构，这个小区域被称为组织者（图9），因为它被认为最终将负责控制完整胚胎形体的组织（沃尔珀特2009）。近缘物种组织之间的可置换性也说明了物种创造的模块性与拼接性。
图9 施佩曼和曼戈尔德证实两栖类早期原肠胚的组织者区可以诱导一个新的主轴。从无色素的蝾螈（Triton cristatus，黄色）原肠胚胚孔背缘取一块组织（黄色）抑制到另一只有色素的蝾螈（Triton taeniatus，粉红色）原肠胚的另一侧。移植的组织诱导出一个新的具有神经管和体节的体轴。无色素的移植组织在新位置（在上图的下部）形成一条脊索，而新体轴的神经管和其他结构由有色素的宿主组织诱导产生（引自沃尔珀特2009）
其实，早在1894年，英国遗传学家William Bateson（1861-1926）就注意到了发育中的异形现象，如人的颈椎转变成胸椎，昆虫的触角被小腿取代，因此他推测，大部分动物是由一些在发育过程中相互区别的重复单元构成的。之后，美国发育遗传学家Edward B. Lewis（1918-2004）揭示了超级双胸基因（Ubx）突变对果蝇形体发育的一系列影响（巴顿等2010）。
20世纪80年代初，研究果蝇的遗传学家发现了同源异型基因（homeoticgene，hox），它们是一类在胚胎发育中对组织或器官的形成进行调控的基因，即指挥哪里长头、哪里长腿、哪里长翅膀，等等。Hox基因编码参与胚胎发育的转录因子，而基因中有一个称为启动子的组成部分，它像“开关”一样，控制基因表达（转录）的起始时间和程度，而基因在其启动子抓住转录因子之前一般是不会被激活的，因此，Hox基因的工作似乎就是“打开”基因（里德利2005）。
Hox基因的突变常常导致胚胎发育过程中某一器官的异位生长。黑腹果蝇的Hox基因分为两群（图10）：一群称为双胸复合群（Bithoraxcomplex，BX-C），其中的Ubx基因若突变，会使第3胸节（T3）变成第2胸节（T2），而由于正常状态下的翅膀是长在T2之上，因此这样的突变同时会使果蝇长出两对翅膀，并使原本长在T3上的平衡棒消失（图11）；另一群基因则称为触足复合群（Antennapediacomplex，ANT-C），若其中的Antp基因发生突变，会使长在头上的触角替换成第二对腿（图12），而pb基因的突变，会使头上的口器变成腿。
图10 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的8个Hox基因，下方左边5个属于ANT-C，右边3个属于BX-C，基因与果蝇身体的颜色，表示基因所影响的身体部位（引自维基百科）
图11左图为正常的野生型果蝇，有一对翅膀和两对平衡器；右图为突变的果蝇，一对平衡器发育成了一对翅膀
图12 左图为野生型果蝇的头部，长有一对小触角，而右图的突变体则在应该长触角的地方长出了一双腿（引自Reeceet al. 2011b）
6.物种演化与模块重组
进化是物种的历史，而发育是个体的历史，但两者的共同趋势都是从简单到复杂。人类的进化从单细胞的原核生物开始，历经了30多亿年的演化征程，而人的个体发育从一个受精卵开始到成熟，仅需20年。如果进化是继承和发展的，那个体的历史为何就不能保留一些种族的演化痕迹呢？发育和进化能否联姻？
在19世纪初，出现了对发育生物学和进化生物学进行整合的尝试。1828年，德裔俄国生物学家贝尔在《动物发生史─观察与思考》一书中指出，①在发育过程中，高等动物要经过与低等动物的发育相似的阶段，即首先出现的是一般性状，其后出现特殊性状，②从一般性状中发展出比较不一般的性状，最后才发展出特殊的性状，例如，先从肢芽变成肢，再分化为手，翅膀或鳍；③在发育过程中，不同物种的动物胚胎发育起初经过相似的阶段，以后才愈来愈有区别，④高等动物的胚胎经历着与低等动物的胚胎发育相类似的阶段（玛格纳2001）。
之后，德国博物学家海克尔在1874年出版的《人类发生或人的发展史》一书中提出了“生物发生律”，认为个体发育是系统发育简短而迅速的重演。对此的争议一直延续了一个多世纪，因为这种判断基于的是形态相似性，更多的是一种直觉的推测，但缺乏关于这两种不同时间尺度过程之间内在联系的更直接的证据，因此，进化和发育两个学科长期割裂，难以联姻。而最近的分子生物学研究恰好可提供这样的证据，使进化发育生物学（Evolutionary developmental biology）开始复兴。
基因是个体发育的组织者和指挥者，但它又是历史演化的产物，而它却能将这两种不同时间尺度过程更精确地联系起来，因为分子水平的同源性比形态水平的同源性具有了更高的分辨率，而且分子证据具有了一定的可验证性。一个精彩的例子就是关于调控动物前后轴发育的Hox基因家族的研究，它也是微观进化和宏观进化之间的纽带之一。
Hox基因存在于所有动物，控制着动物身体的区域特化，或者说，是身体区域特化的组织者。Hox基因家族在进化中高度保守，表明动物界保留了一种共同的控制形体或型态的发育模式，即使彼此间在胚胎的形态上差异明显，但它们在Hox基因表达的图示上看起来相当一致，譬如，Hox基因在果蝇和脊椎动物中的表达惊人地相似（巴顿等2010）。
在不同的类群中，Hox基因的排列方式（图13）、产物与作用方式会有所不同，但这恰好留下了种系演化的印记。譬如，甲壳动物体节的特化模式就与控制附肢发育的同源异型基因（如Ubx）的系统发生分布密切相关（图14、图15），这说明，由Hox基因控制的发育模块的重组或拼接对甲壳动物的系统演化起到了举足轻重的作用。
图13 后口动物Hox基因的组织形式，文昌鱼是后口动物中目前唯一具有完整而未被重排的Hox基因家族的物种。水平线代表染色体，因此，玻璃海鞘的家族被分割为5个重叠群，而尾海鞘的家族是完全分开的，而Hox基因家族的性质在半索动物和其它棘皮动物中是未知的。方框表示单个的Hox基因，其颜色代表它们的关系（红色=前端组/Hox1-2，黄色=第3组，绿色=中间组/Hox4-8，蓝色=后端组/Hox9+）。纵向实心箭头表示清楚的直系同源关系，虚线箭头表示推测的直系同源关系（但不太确定的）。后端组被括起来而不是被一个个箭头连接表明它们的直系同源关系不甚明了，可能由于后口动物后端的可塑性以及一些可能的独立重复事件。X表示基因丢失。为了表示方便，玻璃海鞘的Hox10描绘在Hox基因的后端组中，但其实它位于同样的染色体上，在Hox1-6之中。尾海鞘的Hox4添加了一个问号，表示根据它在系统树中的位置来看存在不确定性。在其它棘皮动物一行的基因则是海百合、蛇尾类和海星的混合，共有14个不同的基因，可能代表了这些古老后口动物的潜在的Hox基因。虚线盒表示仅知道部分碎片的基因（引自Monteiro andFerrier 2006）
图14 各种甲壳动物体节特化的不同模式和Ubx表达的系统发生分布。深蓝色为Ubx蛋白高表达，浅蓝色为Ubx蛋白低表达，白色为在早期胚胎发育中无Ubx蛋白表达，黑色为颚肢。在每一个生物体中，3个头部体节后面是5个胸腔体节。颚肢的数目正好与科的名字一致，胚胎中Ubx的早期表达与附肢的形态学一致。Ubx在将产生用于行走的腿的胸腔而不是胸腔的颚肢中表达。系统发生分布表明，颚肢可能进化出不止一次，但是每次颚肢数目的改变与Ubx的前端表达线的移动是一致的（引自Averof and Patel 1997，经Reece et al.2011b修改）
在昆虫中，很多种类有四个翅膀（如蜻蜓、蝴蝶和蜜蜂），而果蝇只有二个翅膀，系统学与化石记录表明，所有这些有翼昆虫的祖先是有四个翅膀的。有三种不同的假说试图解释四翼昆虫如何转化为二翼昆虫（图15）。第一种假说认为，四翼祖先缺少Ubx，而Ubx的出现导致了第三个胸腔体节的翅膀转化成了平衡器，从而分化出果蝇，但后来随着Ubx基因在所有昆虫体内都被发现，这一假说被抛弃了。第二种假说认为，Ubx的表达调控发生了变化，它开始在第三个胸腔体节的附肢上表达，导致了如果硬等两翼昆虫的出现。但后来发现，与是否有翅膀无关，Ubx总是在辨别第三胸腔体节与第二胸腔体节中期作用，所以第二种假设也被否定的。目前被认同的第三种假说认为，Ubx在前翅区分和后翅区分中保持着差异表达，但是在进化过程中许多基因对于Ubx表达的应答方式发生了变化，即在进化过程中，在目标基因上Ubx结合位点的获得或缺失在昆虫翅膀形态学的进化改变上起到了主要作用（巴顿等2010）。
图15 蜻蜓（A）和蝴蝶（B）是四翼昆虫，而果蝇则是二翼。关于四翼昆虫祖先进化到二翼昆虫的三种假说：昆虫祖先没有Ubx，它在果蝇谱系中出现（D）；Ubx的前端表达界限从A1转移到T2（E）；Ubx的表达模式没有改变，但是Ubx的调控目标改变了（F）（修改自Carroll and Grenier 2005）
Hox基因对脊椎动物系统演化的调控也是令人惊叹的。老鼠颈短身长（有7根颈椎和13根胸椎），而鸡则是颈长身短（有14根颈椎和7根胸椎），这种差别源自贴附到一种称之为Hoxc8基因（调控胸椎制造）上的某个启动子，该启动子是一段由200个字母的DNA，而在这两个物种中正好有一些字母不同，其结果是稍微推迟Hoxc8基因在鸡的胚胎发育中的表达。在蟒蛇那里，Hoxc8正好从头部开始得到表达，并且一直在身体的大部分地方都继续表达，因此，蟒蛇有一个很长的胸廓—它们全身都有肋骨。这个系统的迷人之处在于，同一个基因能够在不同的地方、不同的时段反复得到使用，只要在它边上放上一组不同的启动子即可。为了获得动物身体上的重大改变，并不一定需要发明新的基因，可以通过以不同的模式打开和关闭同样一些基因，这样，很小的基因差异就可创造出形形色色的演化变异，一个启动子上的微小变化就可产生有机体的一连串差异。这些变化也许足以创造出一个全新的物种，同时又根本没有改变那些基因本身（Beltinget al. 1998，Cohn andTickle 1999，里德利2005）。
里德利（2005）形象地说，“如Hox基因的故事所印证的，DNA启动子是在时空的第四维表达它们自己的：它们的时间安排就是一切。一只黑猩猩与一个人有不同的头，这不是因为它有一个不同的头的蓝图，而是因为它长下颌的时间比人长，而长头颅的时间比人短。差别全都在时间安排”。
7.为何模块化？
从一个受精卵细胞发育出由数千亿的细胞组成的复杂有机体（如人类），是一个被精心编织的程序化的自动构件过程。与同源异型基因等相关的研究表明，存在特化的局域性发育控制中心，即发育过程模块化，而每个模块都是一种自组织体，它是适应性与结构化的产物。
生命的演化就是一个不断的模块化过程——生物大分子（核酸、蛋白质、多糖等）由一些小的分子模块拼接而成，真核细胞由一些共生的原核细胞特化而成的细胞器功能性地整合而成，动植物体则包含无数微小的细胞，它们功能性地整合成各种组织和器官，并通过模块化的发育程序构建复杂的躯体，物种的演化就是一系列发育模块的重组。
从某种意义上来说，生命就是一种不断的模块化过程。但为何生命要模块化呢？①这可能是生命的一种禀性，因为地球上最原始的生命就是从一个个性化的基本模块单位——细胞开始演化的，② 模块化可能为复杂系统的有序运行提供了支撑，是一种秩序化的手段，是生命复杂化的产物；③发育模块或许是身体快速构建之必需；④ 模块化可能是对周期性环境快速响应之必需，就如同动物的本能是一种被固化的生死攸关的习性一般。当然，模块化在创造适应性的同时，也在牺牲可塑性。
模块化的演化方式使得渐变与突变的经典争论失去意义，因为，有些DNA上很小的变异，如果能导致发育模块的改变，也能带来重大的表型变异，而有些DNA的成段变异也不一定能带来多大的表型改变。当然，表型变化与成种的关系并不那么简单，有些表型变化虽大，但可能对生殖隔离的影响不大，而有些表型变化虽小，可能对生殖隔离作用重大，因此，生殖器官的变异往往是分类学家划分物种的重要依据。
作者：谢平，研究员，中国科学院水生生物研究所（xieping@ihb.ac.cn）
来源：谢平. 2016. 进化理论之审读与重塑. 北京：科学出版社
(电子版下载地址：http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/)
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