第一章 只是一个理论？第二章 狗、牛和白菜第三章 报春花的宏进化之路第四章 安静与缓慢的时间第五章 就发生在我们眼前第六章 缺失的环节？你说的“缺失”是什么意思？第七章 缺失的人们？不再缺失第八章 你自己在9个月内就做到了第九章 大陆方舟第十章 亲缘关系树第十一章 历史，写满我们的周围第十二章 军备竞赛和“进化的神义论”第十三章 生命以此观之，何其壮哉.10
霍尔丹只对怀疑者的提问说出了简单的真相，但他也不会否认“从一个单细胞发育成为复杂的人体”这一事实神秘得近乎神迹（但永远达不到“神迹”）。不过，这一壮举是依靠DNA遗传指令的帮助完成的，所以在某种程度上减弱了其神秘性。之所以仍留有神秘性，是因为我们很难想象，甚至仅从原则上也很难想象，我们要怎样按照人体建造的实际方式，着手写下建造人体的指令（也就是我所说的“自组装”，这和计算机程序员有时所称的“自下而上”的方式有点相似，而和“自上而下”的方式相反）。
一位建筑师设计了一座大教堂。然后，通过一个等级链下达命令，把施工操作分解给各独立部门，各部门进一步分解到其子部门，等等，直到指令最终交给了每一位石匠、木匠、玻璃工，他们进行工作，直到大教堂建成，并且看上去很像建筑师的原始绘图。这就是“自上而下”的设计方式。
“自下而上”的设计方式与上述完全不同。我从来都不相信以这种方式可以建成教堂，但曾经有一些传说，认为欧洲某些最好的中世纪大教堂是没有建筑师的。没有人设计这些大教堂。每一个石匠和木匠都各忙各的，以自己的技艺建筑自己分管的角落，很少关注别人做什么，也不关注任何总体规划。不知怎么的，以这样无政府的状态，仍能建成大教堂。如果这真的曾发生过，那就是“自下而上”的建筑方式。尽管有这种传说，但肯定没有教堂是这样盖起来的[62]。但这种自下而上的方式，确实发生在白蚁或蚂蚁构建蚁穴之时——也同样发生在胚胎发育中。这就使得胚胎发育与我们人类熟悉的建筑方式或制造方式截然不同。
同样，“自下而上”的原则也适用于某些类型的计算机程序、某些动物行为，以及两者结合起来的产物——用来模拟动物行为的计算机程序。假设我们想了解欧椋鸟的集群行为。在视频网站YouTube上有一些精彩动人的视频可供观看，本书彩页16的照片即来源于此。这些芭蕾舞似的行为是狄伦·温特（Dylan Winter）在牛津大学附近的一片沼泽区奥特姆（Otmoor）上空拍到的。无论群舞呈现何等形态，欧椋鸟的这种行为最显著的特征就是——无人编舞，并且据我们所知，也没有领舞者。每一只欧椋鸟都只是遵循局部规则罢了。
参与这种集群行为的欧椋鸟数量可以成千上万，但它们几乎从不会相撞。谢天谢地，考虑到它们飞行时的速度，任何相撞都会令它们遭受重伤。通常情况下，整个鸟群盘旋或转向时行动如一，表现得浑然一体。每个单独的分群彼此仿佛是以相反的方向飞行，但保持着分群整体的统一。这看起来像是奇迹，但实际上，各分群离相机的远近不同（但却呈现在同一平面），它们并不是互相穿越的。盘旋的鸟群边缘界定如此清晰，更增加了审美愉悦。鸟儿在边缘并不是渐渐减少的，而是直接出现了突然的边界。边界上鸟的密度并不小于鸟群中心的密度，但在边界外，一只鸟都没有。一旦你去思考这件事情，难道不觉得令人惊讶地神奇么？
整个飞舞表演，如果能做成电脑的屏保程序，是非常优雅的。不过，你应该不会想要一部真的欧椋鸟录像，因为这样你的屏保将不断重复同一种舞蹈动作，不能活跃所有的像素点。但你可以用电脑对欧椋鸟集群行为的模拟程序来做屏保，而任何一位程序员都会告诉你，编这种程序，有两种方法——正确的方法和错误的方法。不要尝试去编导整个芭蕾舞剧——对于我们的任务，那将是一种非常糟糕的编程方式。我想讨论“正确的方法”，因为几乎可以肯定这些鸟儿也用类似的方法在自己的头脑中“编程”。更重要的一点——这是关于胚胎发育的一个重要类比。
编程模拟欧椋鸟的集群行为要这样做——几乎要把所有的努力投入在编写单独“一只鸟”的行为上。要根据鸟群中的相互距离和位置关系，为一只“电子鸟”编写出详细的规则，控制它如何飞行、如何与邻近的其他鸟互动等。还要为单只鸟受邻近鸟影响所占的权重、主动改变方向的权重等订下规则。这些用作模型的规则，可通过仔细测量真实的欧椋鸟集群行为而得出。据此，赋予你的“电子鸟”某种可随机改变规则的倾向。现在，写完了关于一只欧椋鸟详细行为规则的复杂程序后，接下来是我在本章强调的“关键步骤”。不要试图编程控制“整个集群”的行为（像早几代程序员可能做的那样），相反，只需复制你所编写的单只欧椋鸟程序就可以了。将你所设计的“电子鸟”复制上千次，可以一模一样地复制，也可以让彼此间有细微的随机差别。然后，在你的电脑中“放飞”这上千只“模型鸟”，这样它们就都遵循同样的规则，可以自由地互动。
如果你对一只欧椋鸟的设计正确无误，那么，这上千只鸟（各自占据计算机屏幕的一个点）将产生像真正的冬天欧椋鸟一样的集群行为。如果集群行为不尽如人意，你可以检查并修正单只鸟的行为程序，也许还需根据对真正的欧椋鸟行为进一步测量，来修正程序。然后，重新复制上千次新版程序，替换原先不能准确运行的程序。持续更新并复制单鸟行为程序，直到屏幕上成千个程序叠加产生的集群行为成为一个真正令人满意的屏幕保护程序。1986年，一位仿真生命与电脑图形图像专家克雷格·雷诺兹（Craig Reynolds）以上述方式编写过这样一个程序（并不是对欧椋鸟），称之为“Boids群聚模型”。
其中的关键就是：这种行为模式无人编舞，也没有领舞者。命令、组织、结构——所有这些，都以规则的副产品形式浮现出来，而规则是反复重复、局部适用的，不是全局适用。胚胎的发育，也正是如此。胚胎发育是由“地方规则”（local rules）完成的，来自各个层次的，尤其是单个细胞层次的“地方规则”。整个发育过程中，无人编舞、没有乐队指挥、没有中央计划、没有建筑师。在发育学领域或制造业领域，这种程序的对等过程是“自组装”。
生物体（如人、老鹰、鼹鼠、海豚、猎豹、豹蛙、燕子）是如此美妙地构成一体，人们似乎很难相信，用来编写它们发育程序的基因，并不具有蓝图、设计或整体规划的功能。但它确实没有这些功能：就像单鸟行为程序一样，发育完全是单个细胞在遵循细胞内固有规则下完成的。精心“设计”的生物体，是由单个细胞遵循一系列固有规则而浮现出来（emerge）的，没有参考任何能被称作整体全局造物计划的东西。正在进行胚胎发育的细胞，彼此旋转共舞，就像巨大的欧椋鸟群一样。但两者之间还存在着重要的不同。与欧椋鸟不同，细胞彼此间是呈片状或块状直接接触的：它们的“群”被称为“组织”。当它们像微型欧椋鸟一样旋转共舞时，随着细胞运动，结果塑造了组织细胞内陷的三维立体形状[63]；或者由于局部细胞生长或死亡导致胚层膨胀或收缩。我喜欢与之类比的是折纸艺术，这是由杰出的胚胎学家刘易斯·沃伯特在其所著的《胚胎的胜利》（The Triumph of the Embryo）一书中提出的；但在介绍这个类比之前，我想先解释清楚人们可能会想到的另一个类比——来自人类的手艺和生产流程的一个类比。
可同“发育”类比的过程
要为“活组织的发育过程”找一个好类比，其困难程度令人惊讶，但你可以找到与该过程的特定方面有部分相似的事物。用配方做类比抓住了某些精髓，我有时也会用这个类比，来解释为什么说“蓝图”并不恰当。配方与蓝图不同，配方是不可逆的。假如你按照蛋糕制作配方一步步做下去，最终，你会得到一块蛋糕。但是你不能拿一块蛋糕还原出做蛋糕的配方（尤其是配方里那些精确的步骤）；然而，正如我们亲眼所见，你可以根据一所房子还原出近似原始蓝图的东西。这是因为，房子和蓝图上的每一个位点都是一一对应的。在蛋糕和制作配方的文字描述之间并没有一一对应关系，或者说，蛋糕与配方上的文句不能一一对应（除了“在蛋糕上放上草莓”这样明显的例外）。
有没有其他的事物，可类比“制造人类”这件事？雕刻，是最不准确的类比。一个雕刻作品，开始于一大块石头或木头，通过切削、打磨使其逐渐成形，直到最后保留了人们心目中渴求的形状。不可否认的是，雕刻与胚胎发育中的一个特定过程有着惊人的相似，这个过程叫作细胞凋亡（apoptosis）。细胞凋亡是细胞程序性死亡，例如，在手指和脚趾的发育中就涉及细胞凋亡。在人类胚胎中，起初，各手指（和各脚趾）都是连在一起长的。在子宫里，你我的手脚都是有蹼的。通过程序性细胞死亡，各手指和脚趾之间连接的蹼消失了（对大多数人来说是这样的，偶有例外）。这有点使人联想到雕刻家的工作方式，但它并不常见或者说不够重要，不能反映胚胎正常的发育过程。胚胎学家可能会短暂地想到“雕刻家的凿子”，但他们不会让这种想法在头脑中停留太久。
某些雕刻家不通过切削进行雕刻工作，而是以一块黏土（或软蜡）揉捏成型（可能随后用其他材料灌铸，如青铜）。这也不是对胚胎发育的一个好的类比。剪裁或缝纫工艺也不是。剪裁或缝纫工艺是指，按照预先设计的图样，将已有的布裁剪成形，然后与其他裁剪成形的布缝在一起。缝好的衣服常常将缝的一面翻转到内侧，以掩饰接缝——至少这一点，很好地类比了胚胎发育中的某些过程。但是，通常来说，就胚胎发育而言，裁制衣服的类比并不比雕刻塑像的类比更高明。用织毛衣来类比可能更好，因为整个毛衣的形状是由无数独立的针脚织成的，就像无数的单个细胞。但是，我们将看到更好的类比。
如何在工厂流水线上组装一辆车（或其他复杂机器）会是一个好类比吗？就像雕刻塑像和裁制衣服一样，组装预制件是一种生产产品的有效方式。在汽车制造厂里，每个组件都是预制好的，往往是在铸造车间用模具铸造的（我认为，这个铸造过程一点儿也不像胚胎发育）。然后，所有预制件都被送到装配线上，按照精心绘制的图纸，一步接一步地拧紧、铆接、焊接或黏接在一起。再一次重申，胚胎发育并没有哪些地方类似“事先制订的计划”。但是，胚胎发育仍与这种“将预制件依序组装在一起的过程”有相似之处，如同在一个汽车装配厂，将预先生产好的化油器、分配头、风扇皮带和汽缸盖汇集起来，并以正确的方式组装。
图42中是三种病毒。左边是烟草花叶病毒（TMV），主要寄生于烟草和其他茄科植物（如番茄）。中间是腺病毒，可感染许多动物的呼吸系统，包括我们人类。右边是T4噬菌体，寄生在细菌体内。T4噬菌体看起来像一个登月舱——其行为更像：首先“登陆”到细菌表面（对噬菌体而言，细菌的表面非常大），然后用它蜘蛛一样的“腿”使自身下降，再通过中空尾部刺入探针，穿透细菌的细胞壁，并注入它自己的DNA。然后，T4病毒的DNA就侵入细菌制造蛋白质的“机构”中，破坏该机构，使其转而制造新的子代病毒。图中另外两种病毒也有相似的行为，尽管它们看起来或行为上并不像“登月舱”。不论什么病毒，它们的遗传物质都会侵入宿主细胞制造蛋白质的机构，挪用其分子生产线，大量制造子代病毒，而不是宿主细胞的正常产物。
图42 三种病毒
你在图片里看到的大部分结构，是遗传物质的蛋白质容器，而对于（“登月舱”）T4噬菌体而言，是入侵宿主的机械装置。我们所感兴趣的是蛋白质结构的组装方式。事实上，这就是“自组装”。每个病毒都是由几个预先做好的蛋白质分子组装而成。我们将看到，每个蛋白质分子，都是在化学法则指导下得到它特有的氨基酸序列，并经过自组装，形成特征性的“三级结构”。然后，在病毒体内，蛋白质分子再次遵循区域性规则，彼此联合形成所谓“四级结构”。这一过程没有蓝图，没有整体计划。
这种像积木一样连接起来构成四级结构的蛋白质亚单位，被称作“衣壳粒”。请注意这些“小结构”在几何学上是多么完美。确切地说，图42中间的腺病毒有252个衣壳粒（图上画的小球）排列成一个二十面体。二十面体是由20个三角面组成的柏拉图式的完美固体。没有任何蓝图或总体规划让这些衣壳粒组成一个二十面体，只是当每一个衣壳粒与其他和它一样的衣壳粒碰撞在一起时，简单地遵循了其本身化学吸力的法则罢了。晶体就是这样形成的，事实上，腺病毒可以被描述成一个非常小的中空晶体。病毒的这种“结晶”过程，是诠释“自组装”概念特别好的例子，而“自组装”正是我所宣扬的生物体构建自身结构的一个主要原则。T4噬菌体的“登月舱”也有一个二十面体作为它DNA的主要载体，但是它自组装的四级结构更复杂，需要根据各项不同的区域性规则，合并另外的蛋白质单元，来装配注入DNA的装置和与二十面体相连的“腿”。
由病毒的话题回到较大生物体的胚胎发育，我想谈谈我在人工技术中最喜欢的类比：折纸。折纸是具有创造性的艺术，在日本发展到最高水平。我唯一知道折叠方法的折纸创作是“中国帆船”。这是我父亲教我的，而我父亲是在20世纪20年代学习折纸艺术的热潮席卷了他的寄宿学校时学的[64]。“中国帆船”有一个逼真的生物学特征——它的“胚胎发育”经过了几个中间的“幼体”阶段（这些阶段本身就是赏心悦目的创作），就像毛毛虫是一个美丽的、正走向通往蝴蝶之路的中间阶段，而毛毛虫和蝴蝶一点也不相似。从一张简单的正方形纸开始，只是折叠，从不剪裁、粘贴或者导入任何其他部件——在最终成为中国帆船“成体”之前，该过程需要经过三个特殊的“幼体阶段”：一个“双体船”、一个“内部有两个盖子的盒子”、一个“类似画框的结构”。用折纸作类比的合理之处还在于，当你第一次学习如何折一只中国帆船时，不仅是帆船本身，就连那三个“幼虫阶段”（双体船、盒子、画框）都是惊喜。用你的手就可以折纸，但需要强调的是，你并没有遵循“中国帆船”或是任何“幼虫阶段”的蓝图。你遵循的是一套折叠的规则，这些规则似乎都和最后的成品没有什么关联，直到成品最终像化蛹成蝶一样呈现。所以，折纸的类比抓住了一些与全局计划相反的“局部规则”的重要性，而不是一个全面计划。
图43 中国帆船折纸的三个“幼体阶段”：“双体船”、“有两个盖子的盒子”、“框中画”
同样支持折纸类比的是——折叠、内陷和内外翻转，这些都是胚胎组织在发育中惯用的手段。折纸与胚胎发育早期过程尤其相似。但它也有缺陷，以下是两个特别明显的缺陷。第一，需要用人手来折纸。第二，发育的“纸胚胎”不会长大。它结束时和开始时的重量完全相同。鉴于这些差异，我有时会把生物胚胎发育称为“膨胀折纸”，而不仅仅是“折纸”而已。
事实上，这两个缺点某种程度上相互抵消了。在一个正在发育中的胚胎里，折叠、内陷和内外翻转的胚层组织的确在生长，而恰恰是这种生长，提供了胚层运动的部分动力（折纸时，这部分动力是由人手提供的）。如果你想要做一个“活胚层组织的折纸模型”而不是“死纸模型”的话，至少还有一个可能性就是，如果胚层组织按正确的方式生长，但生长速度并不一致，而是胚层的某些部位快于其他部位，这就自然会导致胚层呈现出某种形状——甚至出现某种程度的折叠、内陷和内外翻转——不需要用手去拉伸和折叠，并且不需要任何整体计划，仅需要其地方规则。事实上，这不仅仅是一个可能性，因为它真的就是这样发生的。让我们称之为“自动折纸”。在胚胎发育中，“自动折纸”是怎么实际进行的呢？当胚层组织生长时，由于真实胚胎中细胞分裂的发生，“自动折纸”就发生了。胚层组织的不同部位由“局部规则”决定的细胞分生速度的不同，实现了差异性的生长。因此，通过一种迂回路线，我们回到了“自下而上”的局部规则，这一规则具有根本的重要性，与“自上而下”的整体规则相反。在胚胎发育的早期阶段，实际发生的就是这种简单原则的一系列“超级复杂版本”。
在脊椎发育早期的折叠是如何发生的呢？首先，单个受精卵细胞分裂成两个细胞。然后，两个分裂成四个，如此等等，细胞的数目迅速地一再倍增。在这个阶段，细胞的重量没有增长，体积也没有增大。实际上，受精卵原来的体积，已经像切蛋糕一样被切分了，我们最后得到了一个球状细胞群，和原来的受精卵一样大。它并不是一个实心球，而是空心的，我们称它为“囊胚”。下一阶段——“原肠胚”是刘易斯·沃伯特的一句名言的关键词：“不是出生、婚姻或死亡，而是原肠胚形成——这才是你生命中真正的最重要的时刻。”
图44 神经胚的形成
原肠胚的形成就像一种微型地震，震动了整个囊胚表面，彻底改变了其整个形态。整个胚胎组织被大规模重组。而原肠胚的特征性变化，就是空心球体囊胚的内陷，从而变成了对外界开口的两个胚层（见图47中的计算机模拟图）。“原肠胚”外侧的胚层称为“外胚层”，内侧的称为“内胚层”，同时也有一些细胞进入内外胚层之间的空间，称为“中胚层”。每一个原始胚层都注定形成生物体的一些主要部分。例如，表皮和神经系统来源于外胚层；消化道和其他内部器官来源于内胚层；而中胚层则形成肌肉和骨骼。
胚胎折叠的下一个阶段称为“神经胚”。图44的示意图，展示了一个两栖类动物正在形成的神经胚背面中间的横截面（它可能是一只青蛙或蝾螈）。那个黑圈代表“脊索”（notochord），是作为脊椎骨前体的一根日益变硬的杆。“脊索”是脊索动物门的特征，我们人类和所有脊椎动物属于脊索动物门（虽然像大多数现代的脊椎动物一样，我们只在胚胎期有脊索）。正如原肠胚一样，神经胚形成过程中，胚层内陷有更加明显。你还记得我说过，神经系统来源于外胚层吧。那么，下面就要讲胚层如何内陷并形成神经系统。外胚层内陷的一部分（这部分沿身体逐渐向后，像拉链一样）自卷成管状，“拉链”两侧聚合，最终贯穿位于外胚层和脊索之间的整个身长。这根“管”注定会发育成脊椎——生物体神经系统的主要部分。它的前端膨胀发育成脑。随后，这根原始的“管”通过细胞分裂，形成其余所有的神经[65]。
我只想说“用‘折纸’比喻神奇的原肠胚和神经胚发育确实贴切”，而并不想探讨两者发育的细节。我关心的是，“充气折纸”展示出的胚胎复杂化发育的基本原则（如图45所示）是组织细胞层在胚胎发育过程中（例如原肠期）能被观察到的发育事件之一。你可以轻松观察到，作为“充气折纸”的一个有用的步聚——“内陷”是如何发生的，而且，“内陷运动”确实在原肠胚和神经胚的发育中，扮演着重要角色。
图45 一层组织细胞发生内陷
原肠胚和神经胚形成于发育初期，并且影响了整个胚胎的形状。内陷和其他“充气折纸”操作实现了胚胎发育的早期阶段，并且，这些技巧和其他类似技巧亦涉入后来的发育过程，塑造像眼睛和心脏这样的特化器官。但是，鉴于并没有“手”完成“折叠”的动作，那么，是什么机制实现了这些动态运动呢？就像我已经说过的，部分地是通过简单的扩展运动本身。细胞都通过“一个”组织层进行繁殖。因此，它的面积增加，又无处排遣，除了弯曲或内陷，它已经几乎别无选择。但是，这个过程需要更多的控制，并已经被加州大学伯克利分校著名的数学生物学家乔治·奥斯特（George Oster）及其团队的科学家一起破译了。
模拟欧椋鸟集群的细胞群
奥斯特及其同事们遵循的策略，与我们的相同——就是我们在本章前面讨论过的计算机模拟欧椋鸟集群行为的策略。他们为单个细胞设计程序，而不是为整个囊胚的行为编程。然后，他们“克隆”了大量细胞，每个细胞都一样，并留心观察当那些细胞在计算机里聚集在一起时会发生什么情况。当我指出“他们编写了单细胞的行为”时，还不如说“他们编写了单细胞的数学模型”，建立了基于单个细胞的某些已知实际情况的简化模型。特别是，已知细胞内部微丝纵横交错，类似微型松紧带，而且这些微丝拥有能像颤搐的肌肉纤维一样主动收缩的附加属性。的确，微丝和肌肉纤维遵循同样的收缩原则[66]。为了方便在电脑屏幕上绘图，“奥斯特模型”把细胞简化成了二维，并且仅保留了6条纤维，将它们巧妙地放置在细胞里（如图46所示）。在计算机模型中，所有微丝都被赋予某些量化性能：一个“黏性阻尼系数”，一个“弹力系数”（对于物理学家而言，这些名词具有特殊含义）。我们不必介意这些数据的确切含义：它们是物理学家在测量弹簧弹性时喜欢测量的某种数据。尽管在真实的细胞里，许多纤维都可能具有收缩能力，但奥斯特及其同事们只将收缩能力赋予6条纤维中的1条，以此简化问题。如果他们在去除单个细胞的某些已知特性后，仍可以得到真实的结果，那么利用一个保留了那些复杂特性的模型大概能得到至少一样好的结果。他们并不允许模型中唯一的收缩纤维随意收缩，而是为它设置了一个性质——在某些种类的肌肉纤维里普遍存在的一个性质：当纤维被拉伸超过某个临界长度时，纤维将收缩到比正常平衡时更短的长度。
图46 奥斯特细胞模型里的微丝
于是，我们拥有了一个“单细胞模型”——一个极度简化的模型：一个二维框架内含6根“弹簧”，其中1根具有特殊性能，可用“积极收缩”应答“外部强加的伸展”。这是“建模”过程的第一步。第二步，奥斯特及其同事们“克隆”了几十个他们的“细胞模型”，并使它们排成一个圆圈，就像一个二维的囊胚。然后，他们针对一个细胞，用力拉它的收缩纤维，使其收缩。接下来所发生的事情，简直奇妙到令人拍案叫绝。那个囊胚模型形成了原肠胚！下面展示的是6张发生变化的屏幕截图（图47a到f）。一个“收缩波”从那个被刺激的细胞向两侧传播，并且“球形”的细胞群也不由自主地发生了内陷。
图47 奥斯特模型的囊胚原肠胚化
还有更妙的。奥斯特及其同事们尝试通过实验，降低计算机模型中弹性纤维的反应阈值。这样做的结果是：“内陷波”传递得更远更深了，事实上，“内陷波”使其被“捏”成了一根“神经管”（见图48，计算机屏幕截图a到h）。理解“像这样的模型所展示的究竟是什么”很重要。它并不是“神经胚”形成过程的精确呈现。撇开“它是二维的”和“它在许多其他方面是简化的”这两个事实不谈，处于神经胚“萌发态”的细胞球（图47中屏幕截图a）并不是一个（实际发育中应形成的）两层的“原肠胚”。原肠胚形成的模型和我们上面提到的囊胚过程，起始点是一样的。这都没有关系：我们并不奢望模型能在每个细节上都完全精确。无论如何，模型仍向我们展示了，模拟早期胚胎细胞的多种行为是多么的容易。事实上，尽管模型比真实情况要简单，但“二维的细胞‘球’对刺激的自发应答”这个事实反而成了更有力的证据。这使我们消除了疑虑：早期胚胎发育演化的各个步骤并不一定总是那么困难。请注意，模型是简单的，它所演示的现象则是复杂的。这正是优秀科学模型的特点。
图48 奥斯特模型中神经管的形成过程
我对奥斯特模型的详细说明，是为了表明一类一般性原则——“在无任何蓝图描绘整个生物体的情况下，单个细胞能通过与其他细胞相互作用来构建生物体”。像折纸一样的折叠、奥斯特式内陷和掐捏——这些就是构建胚胎时一些最简单的技巧。其他更精致的技巧将在随后的胚胎发育中发挥作用。例如，设计巧妙的实验已经表明，当神经细胞从脊髓或大脑“长出”后，它们通过化学吸引找到通向它们靶器官的通路，并不遵循任何种类的总体规划，而是像一只公狗在交配季节找母狗那样四处嗅寻。由诺贝尔奖获得者、胚胎学家罗杰·斯佩里（Roger Sperry）做的一个早期经典实验，完美地阐明了上述原则。斯佩里和一个同事取了一只蝌蚪，并去除了其背部的一小块儿方形皮肤。他们也移除了蝌蚪腹部一块儿同样大小的皮肤。然后，他们将两块皮肤对调移植：腹部的皮肤移植到背部，背部的移植到腹部。当那只蝌蚪长成一只青蛙时，结果相当奇妙（胚胎实验往往是这样）：它阴暗、斑驳的背部中间，有一块儿整洁的白色腹部皮肤“邮票”；另一块儿斑驳的黑色背部皮肤“邮票”，则整齐地贴在白色的腹部中间。现在，该说故事的重点了。正常情况下，如果你用一根硬毛挠青蛙的背部，青蛙就会用一只脚挠发痒的地方，就好像要赶走一只恼人的苍蝇。但是，当斯佩里挠实验青蛙背部的“白色邮票”时，那只青蛙居然挠了腹部！同样，当斯佩里挠它腹部的“黑色邮票”时，它却挠了背部。
根据斯佩里的解释，在正常的胚胎发育中所发生的是：一些神经轴突（长“电线”，每一根都是单个神经细胞的窄管状延伸）从脊髓探寻着长出，像狗一样“嗅闻”着，寻找腹部皮肤。其他从脊髓长出的轴突，则寻找背部皮肤。正常情况下，这种发育会得到正确的结果：挠背部皮肤感知到的好像就是背部，而挠腹部皮肤感知到的好像就是腹部。但是，在斯佩里的实验青蛙身上，一些神经细胞寻找腹部皮肤时，找到了“贴”在背部的腹部皮肤的“邮票”——大概是因为它“闻起来”是对的。背部“邮票”的情况也一样。那些在一定程度上相信“白板论”（tabula rasa theory）的人们，必然会惊异于斯佩里的结论（“白板论”认为：我们出生时思想都是“白板”，后来被经验所填充）。他们本会预期，青蛙会从经验中学会用其自己的方式来感知自己的皮肤——将皮肤上正确的感觉与正确的部位相关联。事实刚好相反，脊髓中的每个神经细胞似乎在与正确的皮肤接触之前就已经被标记为是腹部或背部的神经细胞。每个神经细胞，后来都会找到它被指定的皮肤靶点——无论这皮肤在哪儿。如果一只苍蝇爬过整个背部，斯佩里的实验青蛙大概会感受到一种错觉——那只苍蝇突然从背部到腹部，爬远了一点儿，然后又瞬间跃回了背部。
这类的实验，使斯佩里阐明了他的“化学性吸引力”（chemo-affinity）假说——根据这个假说，神经系统的布线，并不遵循总体规划的蓝图，而是通过单个轴突，依靠一种特殊的“化学性吸引力”搜寻靶器官。再一次地，我们看到了遵循局部规则的“局部单位”。细胞一般布满了“标签”（化学识别卡），使它们能够找到自己的“伙伴”。我们可以回到“折纸类比”，找到另一处“标签原则”发挥作用的地方。人类折纸一般不用黏合剂，但是也可以用。而胚胎“折纸”，确实用了等价于黏合剂的东西，凭借它，动物的身体才能把它们自己的细胞聚在一起。确切地说，是用了很多“黏合剂”这才使得标签技术得以大显身手。细胞的表面有一套复杂的粘附分子，可以黏接其他的细胞。在生物体所有组成部分的胚胎发育中，这种“细胞黏合剂”发挥了重要作用。然而，这种“黏合剂”和“我们所熟悉的‘黏合剂’”之间存在着显著差异。可对我们来说，黏合剂就是黏合剂。有些黏合剂，黏性比其他的强；有些黏合剂，作用速度比其他的快；有些更适合用在木料上，而其他黏合剂用在金属或塑料上更好。但普通黏合剂的多样性，也就仅限于此了。
细胞粘附分子与普通黏合剂相比，要巧妙得多。你也可以说，细胞粘附分子更加“挑剔”。我们的人工黏合剂可作用于绝大多数的物体表面，细胞粘附分子则不同，它只结合特定的、正确种类的其他细胞粘附分子。脊椎动物中有一类粘附分子——钙粘蛋白，目前已知的钙粘蛋白种类大约有80种。除了少数例外，这80种左右的钙粘蛋白仅仅结合与自己同种的蛋白。让我们暂时忘掉黏合剂吧：一种儿童寻伴游戏可能是一个更好的类比——每个孩子被指定为一种动物，且都要在房间里绕圈转，同时发出像自己被指定的动物一样的叫声。每个孩子都知道，只有另外的“一个”小朋友和自己指定了一样的动物，因此，她必须从各种模仿农场动物的声音中，听出并找到自己的伙伴。钙粘蛋白的作用方式与此类似。也许，像我一样，你也可以依稀想象：细胞表面关键位点上掺杂的特殊钙粘蛋白能怎样地使胚胎“折纸”的自组装实现精致性与复杂化。再一次请注意，这并不是暗示有任何的全局计划，而是各种“局部规则”的零星集合。
酶
我们已经看到了在塑造胚胎的过程中，整个细胞组织表面如何“玩”折纸游戏，现在让我们深入到一个细胞内，在那儿，我们将会发现，它和胚胎用同样的原则进行“自我折叠”（self-folding）和“自我皱化”（self-crumpling），但其规模尺度要小得多——小到单个蛋白质分子。蛋白质极其重要，我必须花时间来解释它为什么这么重要——从一个戏谑的推测开始，来颂扬蛋白质独特的重要性。我喜欢推测——在宇宙其他地方，我们所期待的“生命”会是多么古怪、多么不同于人类，但是我同样揣测——有一两件事，在任何可能发现生命的地方都是普遍存在的。那就是：所有生物都将通过一个与“对基因的达尔文式自然选择”相似的过程而进化。并且，这个过程很大程度上依赖于蛋白质，或像蛋白质一样能够自我折叠成非常多种形状的分子。蛋白质分子是精通“自动折纸工艺”的大师，其工作的尺度远小于我们迄今讨论的细胞层。蛋白质分子展示了当在“局部性尺度”遵循“局部规则”时，所能达到的耀人眼目的成就。
蛋白质是由更小的分子组成的链条（更小的分子叫作氨基酸），并且这些“链条”就像我们之前谈论的组织细胞层，也是通过非常确定的方式进行“自我折叠”的，但规模要小得多。在天然蛋白质中，仅有20种氨基酸“曲目”（选自一个远为庞大的可能组成该蛋白的氨基酸大集合），而每一个蛋白质都是从这20种氨基酸中选出并串起来的“链”（这一点在外星球上可能会有所不同）。现在，轮到“自动折纸”了。仅靠化学和热力学的法则，蛋白质分子就能自动自发地弯曲，成为具有三维结构的准确形状，我几乎要说是“结”（knots），但和盲鳗不同，蛋白质真的不会把自己“绑成结”（如果可以，我真想写出这个实在无关紧要，但却生动有趣的现象[67]）。蛋白质的链通过折叠和弯曲所形成的三维结构，叫作“三级结构”（我们在谈论病毒的自组装时曾提到过）。任何给定的氨基酸序列，决定一个特定的折叠模式。遗传密码的“字母”顺序决定了氨基酸序列，氨基酸序列决定了三级模式的形状[68]。继而，三级结构的形状就有了极为重要的化学影响力。
使蛋白质链自我折叠和盘绕的“自动折纸”行为，遵循的是化学吸引法则，而这些法则决定了原子相互结合的角度。请想象一条形状古怪的磁铁项链。这条“项链”可不会在一个柔美的脖子上挂成一个优美的链型。它呈现另一种形状——磁铁珠之间彼此吸引、纠缠不清，并沿着链条上各种各样的凹槽和裂缝彼此嵌入。与蛋白链不同，这种缠结的准确形状是不能预测的，因为任一“磁铁”都会吸引其他任一“磁铁”。但它确实使人想到，氨基酸链是如何自发形成复杂的“结”状结构，看上去也许不会像一条链条或项链。
关于化学法则如何决定一个蛋白质三级结构的细节，我们仍未完全了解：化学家还不能在所有情况下都推断出“一条给定的氨基酸序列，将会发生怎样的盘绕”。虽然如此，我们仍有很好的证据，可以证明三级结构“原则上”是可以从氨基酸序列推测出来的。“原则上”这个词组并没有什么神秘的。没人可以预测一只骰子会怎么落下，但是我们都相信，这完全精确地取决于骰子是怎么抛出的，加上一些额外因素，比如风的阻力等。这是一个可证的事实：一个特定的氨基酸序列总是盘绕成某个特定的形状，或一组可供选择的不同形状中的某一个（见上页脚注）。然而，对于进化，重要的一点在于：氨基酸的序列是完全由基因中的三联体“字母”按照遗传密码规则而决定的。尽管对于人类的化学家们来说，要预测“由一个特定基因突变而导致的蛋白质形状变化”并不容易，但这仍是一个事实——一旦一个突变发生，原则上对于将要导致的蛋白质形状变化是可以预见的。同样的突变基因，必将产生相同的蛋白质形状改变（或离散的形状中另一可选的形状），而这正是自然选择的关注点。自然选择不需要理解“为什么一个基因的改变会产生某种影响”。自然选择只需要知道“一个基因的改变会有影响”就足够了。如果这样的改变会影响生存（不论我们是否理解这个基因影响蛋白的确切方式），变异的基因本身都将在抢夺基因库“主导权”的竞争中论成败。
既然蛋白质的形状非常多样化，并且这种多样性是由基因决定的，那么为什么蛋白质极其重要呢？一部分原因是，生物体内的某些蛋白质，具有直接的构型作用。纤维蛋白（例如胶原蛋白）聚在一起形成结实的“绳子”，就是我们称作“韧带”和“肌腱”的结构。但是大部分蛋白质并不纤维化。与此相反，它们自我折叠，形成具有它们自身特性、带有微小凹槽的球形结构，这种形状决定了该蛋白质的特殊角色——它们是一个“酶”，一种催化剂。
催化剂是一种化学物质，能够成十亿倍，甚至万亿倍地加速其他物质之间的化学反应，而完成催化后，催化剂“本身”则毫无损伤地脱离反应过程，又能自由地做催化剂。酶，是蛋白类催化剂，由于其“特异性”而成为催化剂里的冠军：它们非常挑剔，要求精确匹配所催化的化学反应。或者我们可以反过来说：活细胞中的化学反应，非常挑剔催化它们的酶。在许多细胞中，化学反应进行得非常慢，在没有正确的酶的时候，可以说事实上它们根本就不发生反应。一旦有了正确的酶，它们就反应得非常快，并且可以生成大量产物。
我愿意这样来表达：化学实验室里，架子上有数以百计的小口瓶和广口瓶，每个瓶子都盛放着一种不同的纯净物：化合物或元素、溶液或粉末。当一个化学家希望完成某个化学反应时，就选择两个或三个瓶子，从每个瓶子里取出一些样本，在一个试管或烧瓶中混匀，也许还要加热，然后，反应就发生了。同时，其他化学反应并未在实验室发生，因为小口瓶或广口瓶的玻璃屏障阻止了药品之间的接触。如果你想调配一个与此不同的化学反应，你就要在另一个烧瓶中混合与此不同的药品。这个化学实验室里到处都是玻璃屏障，使在小口瓶或广口瓶里的纯净物彼此隔离，并维持试管、烧瓶或烧杯中正在进行的反应组合彼此隔离。
活细胞也是一个巨大的化学实验室，其中储藏着同样丰富的化学品。但是，这些化学品并没有存放在架子上的小口瓶或广口瓶里。它们都是混在一起的。就好像是一个蓄意破坏者、粗暴的化学暴君进入了实验室，抓住架子上所有的瓶瓶罐罐，毫无章法地把它们倾倒进一个大锅。要发生什么可怕的事情了吗？好吧，如果所有可能发生的反应都一起发生，那将会很可怕。但是，它们并没有互相反应。或者说，虽然它们发生反应了，但是它们共同反应的速率太慢，简直就可以说完全没有发生反应。除非，有一个酶出现——这是“关键”。在活细胞里，并不需要“小口瓶”或“广口瓶”来隔离物质，因为无论如何，它们根本就没有任何意图和目的要去发生反应——除非有“正确的酶”出现。这种情况，就相当于将化学药品保存在塞瓶里，直到你想要混合特别的一对反应物（就说A和B吧）——这等于把上百种物质全都混合到一位大巫师的溶剂里，但是只提供能使A和B发生反应的合适的酶，而不提供酶给其他组合。事实上，这个隐喻——“毫无章法地翻打瓶子的蓄意破坏者”有点儿离谱。但细胞中确实含有一种叫作“膜”的“基础设施”，化学反应在膜与膜之间或膜内发生。从某种程度上说，这些“膜”，扮演着试管和烧瓶之间“玻璃隔离物”的角色。
本章这一节的重点就是——“正确的酶”主要是通过其实体形状保持其“正确性”的（这一点很重要，因为实体形状取决于基因，而自然选择最终嘉惠或膺惩的对象是基因的变异）。大量分子一直都在漂流、扭曲、旋转着穿梭在细胞内的细胞液中。物质A的一个分子可能很乐意与物质B的一个分子发生反应，但是只有当它们以完全正确的方位彼此相遇时才行。重要的是，这种情况很少发生——除非有正确的酶介入。酶的精确形状，是它把自己像磁铁项链一样折叠起来才形成的，并留有“凹痕”和“孔洞”，每一个都有其本身精确的形状。每个酶都有一个叫作“活性部位”（active site）的位点，这常常是一个特别的“凹痕”（dent）或“口袋”，其形状和化学性质赋予了酶“专一性”。凹痕一词没有充分表达“专一性”这一机制的精确程度。也许，用“电源插座”作类比会更好。在我的朋友——动物学家约翰·克雷布斯（John Krebs）所称的“插头大阴谋”中，世界各国对插头和插座令人不快地采取了不同的、任意的标准。英国的插头不能插入美国的插座，或法国的插座。蛋白质分子表面的活性位点就相当于“插座”——只有某些分子可与之匹配。然而，在世界各地的“插头大阴谋”仅仅动用了6种不同形状（这足以给旅客造成不断的烦恼），酶拥有的不同类型的“插座”则要远多于6个。
想象一种特别的酶，可以催化P和Q两种分子发生化学结合，形成化合物PQ。“插座”活性位点的一半刚好可以安置一个P型的分子，就像一片拼图。而这个“插座”的另一半，和一个Q型分子的形状精确吻合，使其插入——面向完全正确的方位，与已经在那儿的P分子产生化学性结合。通过酶分子协助配对，它们共享了该酶的同一个凹槽，牢固地保持了彼此之间的正确角度，然后P和Q实现了结合。在这之后，新的化合物PQ，脱离活性位点，进入细胞液，空出酶分子上的活性凹槽，使其可以撮合另一个P和另一个Q分子。一个细胞可能充满了成群同样的酶分子，都像汽车厂里的机器人一样连续工作，在细胞里合成的PQ数量也相当于自动化生产线规模。把另一个不同的酶放入相同的细胞，而它将会协助合成另一个不同的产物，可能是PR、QS或YZ。尽管可利用的原料是相同的，但最终产物不同。其他类型的酶与合成新的化合物无关，但与分解旧的化合物有关。一些这种类型的酶会在消化食物时起作用，它们也被用于制造“‘生物’洗衣粉”。但是，由于这一章是关于胚胎建造的，我们这里主要关心的是建设性的酶——新化学合成物的合成中介。我将一个这样的行为过程展示在彩页第12页。
对你而言，问题出来了：“凹槽拼图”和“插座”的例子都解释得非常好——高度专一的活性位点可以万亿倍地加速某一特定的化学反应；但是，这听起来难道不是过于异想天开？酶分子“恰如其分的形状”是如何从一个“不太完美的开始”演化而来的呢？随意塑造的“插座”有多大可能性，能拥有恰到好处的造型、恰到好处的化学性质，来安排P和Q两种分子的结合，巧妙地令它们以恰好的角度相遇？如果你想到的是“已被完成的拼图”，或者“插头大阴谋”，那么这种可能性实在不大。你要想的是——这是个“平滑、梯度式的优化过程”。正如我们屡屡面对在进化中会出现的非常复杂和非常不可能的谜题时，假设“它总是呈现为我们今天所见的最终完美样式”就是一个谬论。完全定型、高度进化的酶分子，被完美地精心制作成完全正确的形状，可使它们所催化的反应加速达到万亿倍。但是，为了得到自然选择的“偏爱”，你一开始并不必加速万亿倍。百万倍就好了！上千倍也不错。甚至十倍或两倍，就足以得到自然选择的青睐。酶性能的形成，是一个平滑的梯度式优化过程，都是从几乎没有凹痕开始，经过一个粗具凹痕的中间过程，直到形成完全正确的“插座形状”和化学特征。“梯度”意味着每一步都是一次明显的优化，无论是多么微小的变化，都好过前一个状态。而对于自然选择来说，一次“明显的优化”可能指的是“比能够引起我们注意的最小值还要小”。
