基因并非决定一切

通过一系列精巧的实验，生物学家最近发现了一种令人惊讶的方式，即真实的生物类似于小丑通过扭动气球制作的派对动物。当你挤压气球动物的尾巴时，其他部分——也许是它的鼻子——会变得非常大。 同样地，当你限制蝴蝶后翅的生长时，它的前翅会变得巨大。 当你缩小蜣螂的角的大小时，它的眼睛会增大。

这个奇异发现的寓意是，基因并非构建生物体的直接蓝图。“这些实验首次证明，器官或组织生长大小的控制并非完全位于该器官或组织内部，”杜克大学动物学教授、描述该结果的论文的第一作者弗雷德·尼霍特说。该论文发表在3月31日出版的《美国国家科学院院刊》上。“长期以来人们一直怀疑情况是这样的，但证据一直是间接的。”

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查尔斯·达尔文早在 150 年前在《物种起源》中首次提出，发育中的身体部位可能会竞争资源，但直到尼霍特和博士后研究员道格拉斯·埃姆伦以两种方式进行测试之前，没有人验证这个想法。 首先，他们在毛毛虫身上做了微小的切口，切除了一部分最终会发育成后翅的组织。 当这些毛毛虫经历变态后，它们长出了异常大的前翅。

同样，尼霍特和埃姆伦用一种已知会抑制雄性蜣螂角生长的激素处理了它们的幼虫。（甲虫使用这些角进行战斗。）他们发现，幼虫成熟后，产生的甲虫的角特别小，但眼睛却出乎意料地大。

接下来，研究人员着手解决达尔文在《物种起源》中提出的一个谜题，他写道：“我几乎看不出有什么方法可以区分，一方面，一个部分通过自然选择而得到大量发育，而另一个相邻的部分通过相同的过程而减少……，另一方面，由于另一个相邻部分的过度生长，实际上是从一个部分撤回营养。” 尼霍特和埃姆伦对角长或角短的甲虫进行了七代的选择性育种，发现角最长的昆虫眼睛最小，反之亦然。

蝴蝶和甲虫是展示这种器官间竞争的特别好的模型，因为它们在发育过程中本质上是“封闭系统”：蛹不需要进食，因为它们有固定的内置营养储备。 相比之下，哺乳动物等生物体会持续进食以生长，从而更容易弥补身体部位之间的竞争。 因此，竞争的影响不太明显。

尽管如此，有理由假设这种竞争确实发生在更高级的生物体中，例如哺乳动物。 尼霍特指出，这个过程已在两种进化上非常不同的动物中得到证明，因此它可能在许多物种中都很常见。 此外，蝴蝶和甲虫的竞争具有相似的特征：在这两种情况下，阻碍一个身体部位的生长只会影响附近的一个或两个部位，而不是整个昆虫。

也许在发育过程中，附近的身体部位或同时发育的部位共享相同的营养池。 或者，共享资源可能主要被发育最快的部位争夺——例如翅膀、角和眼睛。 在机制被弄清楚之前，正确的解释仍然未知。 就蝴蝶而言，后翅可能会产生化学信使，限制前翅的大小，因此去除后翅的一部分会使前翅的生长不受抑制。 或者后翅可能通常会消耗前翅需要的东西。

尼霍特和埃姆伦确实计划研究哪些化学物质在这种发育中的对决中发挥作用。 但他们当前研究结果的结论是明确的：性状和结构的遗传变化并不总是基因性质的。“绝大多数发育生物学家现在都在探索基因是如何被激活的，以及它们的序列和通路是什么，”尼霍特说。“我们已经忽略了一个事实，即必须存在这些更大规模的生物化学调控机制。 我们希望这篇论文能够证明这些是可接近的系统，问题仍然存在，并且有趣且重要。”