模块化modularity籍发育而进化的先决条件

1、模块化（modularity）:籍发育而进化的先决条件各种结构的发生与形成都受到然而，正如我们在系统论中 精细而复杂的调控所导致的稳1 问题的提出从发育生物学中我们了解到， 胚胎的发育过程非常复杂， 精细的调控， 因此才形成了生物体那令人叹为观止的有序结构。 了解到的那样， 发展与稳定是一对两难对一个系统而言， 定必然会以牺牲发展（变化、变异）为代价，同样的，某些结构的微小变异或功能失调也会 导致系统的紊乱甚至崩溃但是， 在进化的尺度上， 我们又看到了不同物种之间的进化的 内在一贯性， 这要如何解释呢？换言之， 胚胎如何在不破坏生物整体结构的情况下发生变化从而为进化提供可能呢？一度有人认为，

2、胚胎发育演化的唯一途径就是在胚胎发育末期再增加一个发育步骤。 然 而，后来的研究表明，即使在胚胎发育早期阶段， 变化也可能发生，从而引起演化上的新结 构。有一种观点认为， 胚胎发育之所以能够产生变化， 原因在于胚胎是由一系列相互作用的 模块（module）组成Riedl,1978;Bonner,1988;Bolker,2000，模块的种种变化使胚胎发育的演 化成为可能。2 模块化的基本思想生物有机体可以被视为由一些模块（或单元、元件）组成的系统，这些模块（或单元、 元件） 自成一体，同时又参与组成一个更大的单元即，模块具有层次性。以这种观点来 看待生物界， 我们就会发现一个宏大的结构体系： 在

3、分子水平， 脱氧核糖核苷酸是构成基因 元件的单元，基因元件是构成基因的单元，基因是构成基因组的单元； 在细胞水平，细胞器 是构成细胞的单元， 细胞是构成组织的单元， 组织是构成器官的单元， 器官是构成系统的单 元，系统是构成生物体的单元；在此之上，人是构成社群的单元，社群是构成社会的单元， 社会是构成人类世界的单元， 最终人类世界与自然环境 （包括有机界与无机界） 构成整个生 物圈。这样一种秩序整齐的等级系统被称为：层次互作模块阵列（level-interactive modulararray） Dyke,1988 。以分子水平的模块为例， 如果把基因中的增强子区域当作模块，那么可以想见， 假

4、如某个特定基因丢失或者增加了一个这样的模块， 该基因的表达效率便会显著改变， 进而引起不 同的发育结果。 这种模块化的意义在于， 它可使某一簇基因同时被激活， 或者使某一特定基 因在不同的区域被表达。类似的， 模块的单元能使机体的某些部位发生改变， 而不致引起其它部位的功能。 正是 这种功能的分立（隔离）为发育的演化提供了基本条件。5DA3 发育中的模块论发育中的模块论认为，发育系统可以被拆分（decompose ）成一些基本元件，这些基本元件遵循其自身的规律独立运转Muller, 2005。这样的模块不仅可以表示某些结构，而且可以指称某些进程（process）单元。以后者为例，他们的维持或运

5、转依赖于其它元件的物质或 信息输入， 相应的， 他们输出的物质或信息亦会影响其它元件。 基因信号通路或者诱导互作 网络都可以被视为这样的进程单元。模块化主要通过三种模式影响发育：分立( dissociation )，复制与趋异， 征用( co-option )Raff ， 1996 。下面分而述之：3.1 分立：异时性与歧率性分立是指组成胚胎的各个部分的发育并非彼此紧密联系， 而是可以分开进行的。 胚胎的 各部分发育的分立性既可以是空间上的，也可以是时间上的。异时性( heterochrony )是发育演化生物学中的一个重要概念，它可以广义的理解为： 发育事件的时序或速率的演化性改变Dougl

6、as J Futuyma ， 1998 。简单的讲，异时性是指与亲代相比， 子代胚胎中的两个发育事件的相对时序的改变； 亦即， 胚胎中的某一模块可改变 它相对于其它模块的表达时序。 以羊膜类脊椎动物的早期胚胎为例， 爬行类和鸟类眼睛发育 较早，到咽神经胚(pharyngular stage)阶段时，其眼睛在整体胚胎中占据的比例相当显著； 相比而言，哺乳动物眼睛的发育则晚些，在咽神经胚阶段的比例也更小 Jeffery et al 2002 。其它的一些异时性现象是受某些基因的异时表达决定的。例如，某些海胆的跃进发育(direct development)涉及了幼体基因的抑制与成体基因的提前激活R

7、aff & Wray, 1999。歧率性( allometry ) 是指一个有机体 的 不同部分 以不同的 速 率生长 Huxley and Teissier,1966; Gayon, 2000 。这种生长速率的差异可能和靶细胞对某些生长因子的敏感性地 改变有关， 也可能和生长因子的含量改变有关。 再以脊椎动物的胚胎发育为例， 马腿中不同 部位软骨细胞生长速度的差异使得中趾的生长速度较其它侧趾快0.4 倍 Wolpert， 1983，这也就意味着，随着马的进化，中趾的比例越来越大，这也就解释了为何马从5-趾的祖先演变成了今天的 1-趾后代。另外一个例子来自头骨发育。在鲸鱼胚胎发育早期，

8、它具有和 其他哺乳动物类似的鼻部结构。 然而， 鲸在发育的过程中上颌骨和前颌骨剧烈发育， 使得颌 骨异常突出，这又推挤 frontal bone (？)，并将鼻孔挤压到了颅骨顶部。这个新位置使得鲸 鱼拥有一个更特异的颌骨，并使它在与水面平行游泳时还能正常呼吸Slijper， 1962。3.2 复制与趋异 模块化还可以引起复制和趋异。 复制会造成重复结构， 而趋异又使得这些结构承担新的 功能。其中的一份拷贝负责维持原来的“任务”，而其它的则可以自由变异，并分化出新功能。复制和趋异可以在多个层次上发生。例如，Hox 基因， TGF-beta 基因家族， MyoD 基因家族， Distal-less

9、 基因，以及珠蛋白基因，他们都可能起源于单个基因，随后经多次复制、 突变、趋异而获得了新功能。因此， Morange (2001， p 33)总结到，“人类的基因组与果蝇 的相比， 最大的区别不在于人类拥有后者不具有的新基因， 而在于， 在果蝇拥有一个基因的 地方，我们人类则有一个多基因家族。 ”在组织水平上，我们也可以看到，体节的复制与趋 异产生了颈椎、胸椎和腰椎的分化。3.3 征用( co-option )有机体中的某个结构并不是专为某种特定目的而存在的，它可以衍生出多种用途。 正如Scott F Gilbert 所调侃的那样，“一枝铅笔当然可以用来写字，但它也可以被用作牙签、 匕首、打孔

10、器，或者，击鼓槌” 。在分子水平上， engrailed 基因参与了果蝇胚胎发育的体节分化， 随后又参与了神经特化， 在幼虫期还参与了成虫盘前后轴的形成。 同样的， 某些蛋白既可在 肝脏中行使烯醇化酶或者乙醇脱氢酶的功能，又可在眼部晶体中作为结构蛋白发挥作用 Piatigorsky & Wistow, 1991 。质言之，既存元件可以被征用(招募、招用)以发挥新的功能。有时候，整个信号通路 都可在不同系统之间被征用。 例如， Hedgehog 蛋白诱导 Engrailed 蛋白图式的发育途径， 既 用来延伸昆虫的翅膀，又参与了蝴蝶及蛾类翅片上眼点的形成；另外一类蛋白， Distal-l

11、ess 既被用来延伸翅膀的成虫盘（ wing imaginal disc ），又被用来形成眼点的中心。征用也可在形态学水平发生。 在脊椎动物的进化过程中， 翼已经发生了 3 次演化， 每一 次演化中， 前肢结构都发生不同部位的改变， 以执行新的功能， 最终使得一个适于行走的结 构宜于飞翔。另外一个关于征用模式的著名例证是两栖动物躲的部分上颌构造在哺乳动物中被招募 成了中耳的组成部分 Gould, 1990 。首先，无上颌的鱼类的鳃弓形成了鱼类后代的颌骨；接 下来，几百万年之后，两栖类的颌骨的上部变成了哺乳动物中耳中的锤骨和砧骨。4 模块化的启发或许这里讨论的概念会给人以这样的联想： 模块吗？好

12、比孩子们玩的积木？建筑工地上 的砖头？我想这是因为我们所借助的语词 “模块” 本身就容易让人往这种 （一些分 立而且可组合的） 结构上联想， 这当然属于模块的一种意义， 而且是最容易被接受的一种意 义；但是，我还想提醒的是，这里的“模块”并不是一种实体指称，毋宁说它是一种想象的 观念， 或者说一种看待系统的思路所以， 模块不仅可以被看作一种实在的结构， 还可以 被看作一种功能进程的单元，比如某个信号转导途径；甚至， 如果我们需要的话， 我们还可 以把通常没有联系起来的结构或者进程联系起来，视为一个模块。也许有人会反驳，如此说来什么又不是模块呢，那这个所谓的 “模块化”岂不是个大而 无当的概念？

13、我同意这句反驳的前半部分：的确， 从某种意义上来讲， 生物体中所有的结构或组织或进程都可以被视为模块，只要我们能发现其中的关联，欲研究之间的规律。然而， 模块的普遍存在并不意味着模块概念的空洞。 因为我们重视在特定的场景里， 在特定层次上， 为了特定的目的而借用这个概念的， 因此， 在我们具体使用这个概念的时候， 模块必定是有 所指称的，而且指向的是某些实体性的结构或者进程使用这个概念不过是为了使我们能 在一个新的层次上来研究问题而已。4.1 关于渐变论与人类的进化坦白的讲， 关于进化论， 我一直都很难接受渐变论的解释， 我不相信分子水平上微小的 突变积累能产生多样性以及进化我的理由是， DN

14、A 在复制时（包括过程中及过程后） 采取了如此多的修补措施与防护机制，将突变率控制在10-10（？）水平，我认为这本身就在传达一个信息，即，分子水平的突变是不被“欢迎”的。对于个体而言，单个核苷酸或者 遗传密码的改变要么不产生效果， 要么就很危险我认为这样的突变很难构成进化的原材 料。那么，进化的原材料是如何积累的呢？我们可以稍稍改变一下思路即， 把研究的焦点从单个的核苷酸提升到基因元件或者 基因的水平， 在这种情况下， 基因水平的转座或者染色体水平的重组就成了变异来源。 换句 话说， 如果将全部的基因信息比作一种语言（一段有意义的文字） 的话，那么一个碱基就好 比一个字（字符或字母） ，对于

15、语言来讲，它的进化不是由于积累单个字的变化而产生（这 反而会造成不规范的错别字） ，而是大段大段的翻译，整篇整篇的介绍，是以意义/思想为单元流动的； 它会在一段时间内比较稳定， 而在另外的时间非常活跃翻天覆地似的整合创 新，旧的消退新的产生这正好对应于生物体的重组/转座。关于人类的进化在使用 “进化” 一词时， 我指的是人类相对于他的近亲们有哪些变 异目前我们已经知道，在 DNA 水平上，人类和大猩猩只有 1% 的差异 King and Wilson,1975 ，接下来的问题就是， 这 1% 的差异究竟是什么？它是怎么就造就出了人类 （形 态、智力上）的与众不同？现在已经有研究发现了语言控制相

16、关基因（ FOXP2 ），并试图中这些基因的微小变异中 寻求人类进步的痕迹， 这当然值得鼓舞不过我想， 除了这些微小的变异本身之外， 是不 是还有些更大尺度的变化呢？比如， 在神经元的组织与功能方面， 当中是否有些不一样的 “模 块化”呢？使得相似的物质基础表现出了差异明显的功能？或者， 这微小的差异对某一个或 几个模块产生了巨大的改变从理论上我们可以这么猜测， 不过现在的问题是， 差异具体 是如何实现的哪些模块，如何改变，结果如何？4.2 从还原到系统还原论的伟大与局限“还原论” 是指这样一种科学探究的方法： 依据此方法， 一个系统被拆散至其基本构成 的部分，然后尽可能的在其最基本的层面上进

17、行科学探究。必须承认， 还原论的思路在科学发展的历史中起了相大巨大的作用， 对深化人类的认识 水平功不可没。 细胞生物学， 生物化学、 分子生物学以及后来的结构生物学都是这一思路下 的产物。当然，从科学的角度讲， 我们承认， 支配非生命的物质的规律同样支配着生命物质， 在生物界中并不存在非生物界中所没有的“活力” 。不过，我们也要指出任何将生命现 象还原为已知的化学反应的企图， 都无视这样一个事实： 生物体的复杂结构实际上是生物特 性的一部分。对于生物体这样一个非线性、自组织、自稳定的耗散结构，简单的还原论必然 是无能为力的。如赫尔曼哈肯所言，“采用这种方法的研究者，其体验可能很像得到一辆玩具

18、汽车的小 孩。小孩很快想知道，汽车为什么会跑，于是就把它拆成各个零件。一般说来，他是不难做 到这一点的。 但是， 我们往往看到他坐在一摊部件面前哭鼻子， 因为他还是搞不清汽车怎么 会跑的，他也没法将那些零件重新拼成一个有点意义的整体”我想， 这多少有些类似我们目前的感觉： 我们怀着极大的梦想试图搞清楚自身的基因组 成，我们以为所有的奥秘到时候都将被我们解开。然后，我们果然成功了。但是，我们又逐 渐发现， 这还是不够的： 仅仅知道序列如何， 有多少编码区并没有解答我们关于生命的根本 困惑。于是，继基因组之后，我们又开始了转录组、表达组、蛋白质组等新组学的研究，期 待着能找到更简单的方式把握生命。

19、然而，正如Ernst Mayr评论的那样，“不管我们在理论上做了多少推进，一个冷酷 的事实是：迄今为止，没有人在实验室里造出了生命。 ”现在， 在还原论的思路下， 借着计算机技术的迅猛发展， 我们已经制造出了浩瀚的数据 与信息（以至于我们越来越搞不懂了） ，我们该如何看待它们统筹它们理解它们呢？我们对 生命的洞察又该如何深化呢？4.2.2 系统论的高远与弱点 正是在这种困惑中， 系统论开始蓬勃发展起来。 一般认为， 严格意义上的系统论发轫于 上世纪中后期的物理学，目前已提出的理论有一般系统论，控制论，耗散结构论，混沌，自 组织， 协同学， 等等然而就我的阅读经验而言，系统论目前还处于思辨阶段，

20、基本上还是对现象的一种重新描述。无论是耗散结构论提到的“负熵的摄取维持了生物体的稳定”，还是协同学中那个“使一切事物有条不紊的组织起来的序参数”，大概都可以算作一种新的世界观； 至于如何能在方法论上有所突破， 从而在实证中产生效果估计还需要我们更多的实 践、思考与努力。另外， 由于系统论往往将生物体视为一个系统， 这在带来了视野扩大的同时也造成了精细度的降低，即，无法更确切地描述研究对象，因此往往以大而化之收场。4.2.3 模块化的调和与优势：有限的系统论从某种意义上来讲， 模块论是对前两者的继承与改进， 更确切的说， 它是在还原论的基 础上向系统论的渐进：首先，我们要将研究对象分解(结构或过

21、程) ，并认识各个部分；其 次，我们就可以在特定的角度与研究目的驱动下，综合并使它(它们)模块化，进而得到更 高层次的认识。模块化整理、 综合还原论制造的海量信息， 归纳现象总结规律最终提高认知水平深化认 知程度。 或许我们正可以通过不断持续的模块化来渐渐归纳提升还原论， 并逐渐逼近完整的 系统论。从这个意义上来讲，我把这种模块论视为有限的系统论。参考文献：Gilbert,S.F. 2003. Developmental Biology (Seventh edition). Sinauer Associate, Sunderland, MAErnst Mayr. 2001. What Evol

22、ution is . Basic Books, New York.赫尔曼 哈肯，1987.协同学：大自然构成的奥秘.凌复华译，2005,上海译文出版社，上海.Bolker,J.A. 2000. 附注：Riedl， R. 1978. Order in living Systems: A system Analysis of Evolution . John Wiley and Son， New YorkBonner，J.t. 1998. The Evolution of Complexity. Princeton University Press， Princeton， NJ.Dyke，C. 1988. The Evolutionary Dynamics of Complex Systems. Oxford University Press， New York.Jeffery， et 2002. Analyzing evolutionary pattern in amniote embryonic development. Evol. Dev. 4:292-302.Raff， R. A.1996. The shape of life: genes， development， and the evolution of animal form. Univ