第七章：进化与形态发生

阅读笔记

书籍来源：Murray J.D. - Mathematical Biology II（第401-506页）

7.1 进化与形态发生

概述

本章探讨了进化与形态发生之间的深刻联系。以皮肤器官原基（如羽毛、鳞片和牙齿）的形成为案例，研究表明发育约束（developmental constraints）在digit patterns的进化中起着重要作用。Holder（1983）对四类四足脊椎动物的145只手和脚进行了广泛观测研究，得出结论：发育约束对于digit patterns的进化具有重要意义。

机械事件与发育路径

图7.4展示了皮肤器官原基发育中的关键机械事件。在第六章第6节中，我们讨论了与乳头状突起相关的细胞凝集 pattern formation。在第6.8节讨论的上皮 sheet 模型中，展示了空间异质patterns如何形成，甚至可以由真皮patterns引发和启动。

Odell等人（1981）证明了离散细胞 sheets（如 Figure 7.4 所示）的buckling如何产生。从发育的顺序视角，我们不禁要问：是否可能通过干扰机械事件来转移到不同的发育路径上？实验证据表明，从鳞片路径到羽毛路径的转变是可能的——例如，Dhouailly等人（1980）用视黄酸（retinoic acid）处理皮肤器官原基，在鸡脚鳞片上形成了羽毛。

7.2 脊椎动物肢体中软骨形成的进化与形态发生规则

研究背景

在上一章第6.6节中，我们展示了机械模型如何产生脊椎动物肢体的软骨patterns。我们提出了一组简单的通用形态发生构建规则（morphogenetic construction rules），用于解释肢体软骨patterns的主要特征是如何建立的。这里我们使用这些结果，并借鉴肢体形态的比较研究和发育胚胎学实验来支持我们的通用理论（本质上是机制无关的）。然后将结果置于进化背景下。这主要基于Oster等人（1988）的工作。

肢体是脊椎动物中形态多样性最高的器官之一，也是最容易研究的发育系统之一，因此它在胚胎学和进化生物学中都非常重要。再加上丰富的化石记录，记录了肢体多样化的进化过程（Hinchliffe and Johnson 1980）。

发育的随机性与有序性

虽然形态发生在宏观尺度上是确定性的，但在微观尺度上，肢体形成过程中的细胞活动涉及相当大的随机性。秩序作为具有高概率的平均结果出现。我们在第6.6节中认为，某些形态发生事件极不可能发生，例如从单个软骨生成凝集点的trifurcations。从数学上讲，它们当然不是被pattern formation过程严格禁止的，无论是机械化学的还是反应扩散的，但由于它们对应于参数和条件的精细调整，因此是极不可能的。这是"发育约束"的一个例子，尽管"发育偏倚（developmental bias）"这个术语可能更合适。

形态发生规则回顾

让我们回顾一下第6.6节中关于肢体软骨pattern的"形态发生规则"的关键结果，这些总结在图6.18(a)-(c)中，我们为方便起见在图7.5中重现了关键部分。

形态发生过程从均匀的间充质细胞场开始，从中在线肢芽的近端区域形成前软骨间充质细胞的聚焦凝集（focal condensation）。使用上一章讨论的机械模型，这是涉及细胞、细胞外基质（ECM）及其位移的模型的结果。在Oster等人（1985a,b）的模型中，各种机械化学过程也参与其中。间充质细胞的后续分化与凝集过程密切相关。分化与软骨形态发生似乎是相互关联的现象。Oster和Murray（1989）提出了一个细胞趋化模型替代方案，其中凝集和形态发生同时发生。

聚集与竞争

在软骨生成焦点周围有一个招募区（zone of recruitment）。也就是说，细胞的聚集自我增强，同时耗尽周围组织的细胞。这实际上设置了对进一步聚集的侧向抑制场（lateral inhibitory field）。因为附近的焦点争夺细胞，这导致焦点之间几乎无细胞区域。换句话说，凝集焦点建立了一个"影响区（zone of influence）"，在此区域内其他焦点被抑制形成。

软骨发育与perichondrium

随着实际软骨元素的发育，细胞似乎分为两个区域：外区域由扁平细胞同心排列组成，而内区域细胞则呈圆形。外细胞分化形成perichondrium，它包裹着发育中的骨骼。正如Archer等人（1983）和Oster等人（1985a,b）所建议的，perichondrium约束软骨的侧向生长并迫使其中伸长。它还限制额外细胞的侧向招募，因此细胞主要通过在远端添加更多间充质细胞来添加到初始凝集中，从而影响线性生长（如图7.6所示）。

顺序性模式生成

正如我们在第6.6节中注意到的，肢体形态发生patterns通常按顺序 laid down，而不是在整个组织上同时发生（Hinchliffe and Johnson 1980）。后者方法相当不稳定。理论模型表明，顺序模式生成（sequential pattern generation）更加稳定和可重复。回想一下第三章第3.1节中关于动物毛色patterns形成的模拟，其中最终pattern取决于初始条件，而与鸟类中六角形羽毛胚和鳞片阵列的稳健形成（在前一章第6.5节中讨论）相比，Perelson等人（1986）的模型模拟提供了支持证据。

几何变化与独立模式

虽然大多数pattern形成序列沿近-远端方向进行，但digital arch的分化（见图7.11）从前向后顺序发生。Digital arch的分化开始与肢芽远端区域突然变宽并扁平化为pad-like形状相关。从模式生成的典型色散关系（例如，参见第二章第2.5节的详细讨论），这种几何变化可以启动独立patterns，这是理解这一对顺序发育规则明显例外的关键。从物理上讲，这意味着在足够大的区域中，独立聚集会产生，并且离其他聚集足够远，可以为自己招募细胞而不被较大邻居的吸引力所支配。当然，其他模型参数在最终pattern及其顺序生成和启动中也是重要元素。关键点是，无论反应扩散还是机械化学模型产生软骨生成凝集，包含生长肢芽大小和形状在内的模型参数在控制patterns中至关重要。实验操作明确证实了这一重要性。

实验验证：秋水仙碱处理

Alberch和Gale（1983）用有丝分裂抑制剂秋水仙碱（colchicine）处理各种肢芽。这种化学物质通过减少细胞增殖来减少肢体的尺寸。正如我们从模式生成模型及其色散关系中所预测的，组织大小的这种减少会减少bifurcation事件的数量（如图7.7所示）。

当然，不能排除的一种可能性是，秋水仙碱通过改变一些其他发育参数（如细胞牵引或运动能力）以及组织大小来影响bifurcation的时间和数量。这种改变仍然与理论一致。在这个阶段，需要进一步的实验来区分各种可能性。主要点是，这些实验证实了改变发育参数（这里是组织大小）可以改变正常bifurcation事件序列的原则，并伴随显著的肢体形态变化。

比较研究

使用Oster等人（1983）的软骨pattern形成的基本思想，Shubin和Alberch（1986）对两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物进行了一系列比较研究，证实了四足动物肢体发育由聚焦凝集、分割和分支过程的迭代组成的假设。此外，他们展示了前软骨细胞凝集patterns在肢体pattern形成中显示出几个显著规律性。图7.8展示了一些结果；其他例子也在Oster等人（1988）中给出。

凝集模式的内在特性

凝集、分支和分割是软骨形成组织的内在特性，尽管凝集发生的位置和时间取决于几个因素。凝集pattern的稳定性和可重复性关键取决于其顺序形成。Patou（1973）在一些有趣的实验中，从鸭和鸡胚胎的腿芽中移除并解聚了软骨形成涉及的组织和细胞。然后将两个群体混合并重新填充到空的肢芽套管中。结果的软骨patterns非常异常，没有显示任一物种的特征（如图7.9所示）。然而，在所有情况下，凝集patterns都是由凝集、分支和分割这三个基本过程的迭代产生的（如图7.5所示）。结果支持了这一理论结论：分支、分割和新生凝集事件是软骨形成组织基本细胞特性的反映。

7.3 畸形学（怪物）

发育约束与不可能的模式

我们对模式形成的理论研究已经表明，对于软骨生成（以及其他发育方面）可能存在的patterns有相当大的限制。从上一章描述的形态发生定律，例如，trifurcation极不可能发生——也就是说，一个元素分支成三个元素，甚至一个分成多个。虽然后续生长可能呈现1-to-3分裂的外观，但理论表明所有分支最初都是二元的（binary）。这是因为trifurcation只在非常狭窄的参数值和条件下才可能。如果我们加入不对称性，它变得更不可能。这种精细的要求组合几乎总是导致不稳定pattern，即使在模型机制的数值模拟中也是如此。

三头怪物为何不存在

Alberch（1989）将trifurcation不太可能的概念应用于发育中内部约束的其他例子。他认为，这就是为什么我们看不到任何三头怪物的原因。有许多双头蛇和其他爬行动物、连体双胞胎等的例子。图7.10(a)-(c)展示了连体双胞胎的三种基本类型。这些形式在鱼类中相当常见。在（a）中，重复是由于身体轴的bifurcation，而在（b）——一种更常见的形式——是融合的结果。这可以通过身体的任何部分发生。（c）是胸部区域融合片段的例子。（d）是Dicephalus（一个年轻男孩）的骨骼，（e）是Tricephalus的19世纪例子。

非常少的三头怪物被报道，其中大多数的真实性往往高度可疑。如果我们回到上述形态发生定律建议的有限bifurcation，特别是trifurcation极不可能，我们可以理解三头怪物如何产生，即通过身体轴的bifurcation（如图7.10(d)所示的骨骼），然后是其中一个分支的进一步bifurcation（如图7.10(e)所示的例子）。

畸形学的历史

怪物研究——畸形学——有着悠久的历史。艺术（希罗尼imus Bosch的作品是一个特别好例子）和神话中充满了壮观的怪物和新形态。一种中世纪对三头人类的描述是，它生来有一个人的头，另一个是狼的，第三个是没有皮肤的血肉块。它最终在出现在城市参议院面前并做出了一系列可怕预测后死亡。有一幅Dürer的画，画的是一头小牛，有两个身体连接在单个头上，而美杜莎的头——周围环绕着许多蛇——是一个流行主题；鲁本斯的画当然众所皆知。

怪物长期以来一直让人们着迷。怪物分类的一个早期有趣尝试是Ambroise Paré在1573年在他的bestiary《Monstres et Marveillles》中给出的。他认为，例如，男性和女性种子混合比例不当会导致怪物。他认为异源种子会产生混合人类和动物形式，如半人马。他建议子宫的紧缩可能导致两性人。他还认为，正如（现在仍然）常见的那样，上帝的愤怒起了作用。Pallister（1982）的书讨论了Paré的工作和他的怪物分类。

早期文献记载

中世纪及之后的文献中充满了大量据称怪物出生的描述在我们当前知识看来是完全不可能的。然而，有些让人想起沙利度胺（thalidomide）畸形。再次，很少有关于三头怪物的参考资料（除非有人计算那些头部由几个角组成的），但有许多关于多手和多指的内容。一些更奇特的出生据说是由各种教皇的情妇所生（在英国，他们不失时机地嘲笑教皇制）。William Turner（1697年出版了他的书）是另一个有趣的例子，详细描述了各种怪物出生的可怕描述。

19世纪的科学研究

Geoffroy Saint-Hilaire是他那个时代的主要科学家，写了大量关于怪物主题的著作，并具体评论了三头怪物的缺失，并在1836年产生了关于畸形学的权威著作。19世纪特别是下半叶和20世纪初关于怪物的文献很多。1947年的CIBA专题讨论会专门关注自然界的怪物（Hamburger 1947）和艺术中的怪物（Born 1947）。

Stockard（1921）广泛研究畸形学，并通过用化学物质（如氯化镁）处理胚胎鱼进行了最早的一些实验。沙利度胺的可怕畸形学影响有详细记录，我们已经在前面的章节中评论过视黄酸最近用于制造肢体软骨畸形。Stockard（1921）详细讨论了多指畸形（手脚有多余指/趾）的发生率，特别是在同卵双胞胎中，因为像大多数双畸形一样，它们来自单个卵而不是两个卵的融合。

畸形学的意义

畸形学突出了一些进化中最基本的问题，即为什么我们在自然界中得不到某些形式。发育过程，正如我们所看到的，体现了各种约束系统，这些系统偏置了系统的进化。因此，我们回到前面提到的，即如果我们想理解进化，我们必须理解内部因素而不是外部因素的作用。Alberch（1989）对这些方法进行了全面讨论，除其他外，并将其置于历史背景中。畸形学，特别是为了解发育过程的潜力提供了极好的信息来源。它们还表明哪些畸形是可能的，哪些是不可能的。特定形态在不同物种中发现的事实很有趣，表明它们部分发育具有某些共同的发育过程。

7.4 发育约束、形态发生规则与进化的后果

变异与选择

变异和选择是进化过程的两个基本组成部分。基因突变在种群中产生新事物，而自然选择受到存在的变异性量的限制，尽管通常相当高。遗传变异和形态变异之间通常没有直接对应关系。这种缺乏对应关系促使人们寻找在从基因到表型的映射中对最终表型的约束，例如发生在发育过程中的约束。我们应该记住，基因不指定patterns或结构；它们通过改变分子结构或调节指定细胞行为的其他基因来改变构建配方。因此，我们重申在本章开头所说的，即只有理解发育机制，我们才能解决基因如何产生有序解剖结构的核心问题。

发育约束的精确定义

对约束在进化中作用的高度关注导致了"发育约束"一词的广泛使用（例如，参见Levinton 1986的综述）。不幸的是，正如之前提到的，发育约束的概念经常被松散地用来描述现象学pattern（Williamson 1981b）。从上述讨论和肢体软骨架构形态发生规则的应用，我们可以看到它在进化过程中如何变化，从而对形态进化的"发育约束"给出更精确的操作定义。从这个角度，我们可以解决关于骨骼结构进化同源性（即具有相同系统发育起源但最终结构不同的现象）的某些谜题。

秋水仙碱实验与物种变异

图7.7表明，对发育中的肢体应用有丝分裂抑制剂会产生尺寸较小且digit数量和跗骨元素规律减少的肢体。以这种方式干扰发育产生的形态特征是某些元素的缺失。这些丢失的元素是由于生长中的软骨焦点无法进行分割或分支事件的结果。这些实验中产生的patterns与自然界物种肢体的许多变异相似。

蝾螈的极端实验变体

用有丝分裂抑制剂处理的蝾螈（Ambystoma）肢体的极端实验变体显示出与paedomorphic或早期胚胎形式Proteus的肢体模式惊人相似（如图7.11所示）。这表明Proteus和Ambystoma共享共同的发育机制，因此也共享一套共同的发育约束。这可以用pattern形成过程的聚集bifurcation特性来解释，或者更确切地说是聚集bifurcation的失败来解释，这限制了形态发生事件成为我们列出的形态发生规则目录中的三种空间凝集类型。

发育程序的重要性

在没有了解底层发育程序的情况下，将几何相似的元素联系起来是危险的，因为创建这些元素的过程可能不对应。例如，图7.11和7.12中，digit的丧失可能是由于分支bifurcation失败的结果。然后问哪个digit丢失了就不明智了，因为基本序列已经被改变。在后图中，Alberch（1989）使用图7.5中概述的形态发生"规则"来显示差异如何解释。

软骨元素的比较

通过这些例子，我们看到比较软骨元素本身并不容易，而应该比较创造它们的形态发生过程。因此，肢体元素的发育可以使用前软骨凝集的bifurcation patterns进行比较，进化变化可以分解为凝集、分支和分割事件的迭代。

进化的方向性

在本章开头我们提到了进化向后移动的可能性。当我们将形式进化简单地视为机械（更确切地说，机械论）参数的变化时，这显然是可能的。图7.12是一个明确的例子，其中仅通过改变形态发生过程就发生了这种情况——进化变化当然不必总是具有相同的方向。环境条件的变化显然可以影响机制参数，从而影响pattern。

颜色pattern的进化

另一个例子是在一篇关于鸟类黑色素色素沉着的有趣论文中给出的。Price和Pavelka（1996）使用域限制及其对patterns影响的思想，从历史、发育和进化的角度研究了颜色pattern的进化。虽然他们基于反应扩散理论进行论证，但同样可以基于模式形成的机械理论或化学趋向系统。他们对多种鸟类物种进行了比较分析，表明在进化过程中各种pattern元素丢失并重新获得。他们假设阈值敏感度的简单转变可以很容易解释这些转变。他们建议，选择和发育的不同角色的划分可以反映发育机制如何影响直接和遥远的祖先。

D'Arcy Thompson网格变形的局限性

最后，我们应该注意到，基于bifurcation序列的构建规则表明，使用D'Arcy Thompson的"网格变形（grid deformations）"描述肢体多样性可能具有误导性（Thompson 1917）。例如，他展示了通过简单变形网格结构，可以在鱼形上叠加网格，推导出不同物种。这只给出了现象学描述。这种几何之间的比较只对"拓扑"变形有效，并且排除分支和新生凝集，因为这些bifurcation破坏了方法所基于的连续性假设。

结论

图7.5中包含的特定构建规则集为脊椎动物肢体的构建提供了一个场景。这样的方案使我们能够更精确地定义发育约束的含义。片刻也不暗示这个列表是完整或最终的；然而，这样的规则指出了一种研究肢体形态的新方法，并暗示了四足动物肢体在进化过程中如何受到约束。它们还展示了模式形成机制的研究在 Suggesting practical 'laws' of development方面有多么有用。

肢体最初在薄管状边界内发育。这个初始 domain shape 定义了两个特定的发育约束： 1. 肢体发育必须主要是顺序的 2. 近端发育由单个聚焦凝集启动

后续远端发育必须通过使用图7.5中基本元素的分支和分割从这个焦点进行。

肢芽的生长模式通常会产生宽的远端paddle。在paddle区域内，有空间进行聚焦凝集和广泛分支和分割成腕骨和跗骨元素。这种分支和分割是交错进行的，因为分支抑制侧支分支或分割，因为细胞竞争。如果paddle区域足够大，独立焦点——digital arch——可以产生。后续发育从前向后进行，即从paddle最厚部分向后方"开放区域"。

鉴于肢体具有限制其最终大小的典型生长期，分支bifurcation的数量是有限的。这可能解释了肢体通常最多有5或6个终端digit。正如我们在上一章第6.6节中看到的，导致重复肢体（参见图6.16(a)和(b)）的嫁接实验需要更大的组织质量来维持多余digits。

随着我们对形态发生过程的了解增多，不仅限于肢体，我们将能够为我们的（仍然很小的）构建规则列表添加更多内容。这些规则中的每一个都将对肢体形态的进化施加进一步约束。我们认为，我们在这里倡导的机械论观点为进化中"发育约束"提供了更具体的定义。

公式汇总表

编号	公式/概念	描述
1	聚焦凝集 (Focal Condensation)	单个凝集点形成，作为初始软骨元素的核心
2	分支bifurcation (Bifurcation)	Y-bifurcation，软骨元素分叉成两个分支
3	分割 (Segmentation)	节段性凝集，形成离散元素
4	侧向抑制 (Lateral Inhibition)	\(u_t = f(u) - \chi u + D\nabla^2 u\)，凝集焦点建立影响区
5	招募区 (Zone of Recruitment)	细胞聚集自我增强，耗尽周围组织细胞
6	perichondrium约束	外层扁平细胞限制软骨侧向生长，迫使线性伸长
7	顺序模式生成	Sequential pattern generation比 simultaneous 更稳定
8	色散关系	\(\omega(k) = \omega_0 + \alpha k^2 - \beta k^4\)，模式形成的关键
9	trifurcation约束	三分叉在数学上可能但概率极低，是发育约束的体现
10	双头怪物形成机制	身体轴bifurcation后，其中一支进一步bifurcation

关键概念中英对照

中文	English
形态发生	Morphogenesis
发育约束	Developmental Constraints
软骨形成	Cartilage Formation / Chondrogenesis
聚焦凝集	Focal Condensation
分支bifurcation	Branching Bifurcation
分割	Segmentation
畸形学	Teratology
侧向抑制	Lateral Inhibition
形态发生规则	Morphogenetic Rules
秋水仙碱	Colchicine
视黄酸	Retinoic Acid
细胞凝集	Cell Condensation
细胞外基质	Extracellular Matrix (ECM)
perichondrium	Perichondrium
进化同源性	Evolutionary Homology
拓扑变形	Topological Deformation

笔记完成日期：2026年5月10日 字数统计：约3500+中文字符