美国两院院士、科普大师、重磅级富兰克林生命科学奖得主肖恩·B.卡罗尔“生命的故事”系列之一:《无尽之形最美》。
从蝴蝶与斑马的斑点是如何形成的,到利用大肠杆菌的生物学规律了解大象,到制造新生命需要的25000个基因,再到美洲豹皮毛和原始人头骨中的个体和群体变化等,卡罗尔讲述了基因如何在生长的胚胎中表达,并解释了这些基因在数百万年的进化中是如何变化的,带领读者一窥生物发展史中的进化和发育这两面。
入围《洛杉矶时报》图书奖(科学技术类)、美国国家科学院通讯奖,被评为《发现》杂志年度最佳科学图书、《今日美国》年度最佳科学图书。
华大集团CEO尹烨,苇草智酷创始合伙人、财讯传媒集团首席战略官段永朝,古生物学者、科普作家邢立达,发育生物学家刘易斯·沃尔珀特联袂推/荐!
湛庐文化出品。
像搭积木一样构造动物
当我们试图分辨佛罗里达州的河边那一铲子砾石里到底都有哪些骨头或牙齿时,“动物设计”的一个基本主题就会变得显而易见。挑战的关键在于怎样才能将某块化石跟一个物种挂上钩,还得确定它具体属于这种动物的哪一个部位。这怎么就成了难点?这展示了动物设计相关的第一个基本事实:有亲缘关系的动物,比如各种脊椎动物,都是由非常相似的部件构造而成的。
假如在专家的协助下,我们分辨出其中一块骨头来自儒艮(某种早已灭绝的海牛)。接下来的问题就变成,如果这是一根肋骨,具体是哪一根?又或者,如果这是一块趾骨,来自一种早已灭绝的马,到底是哪一趾?单有一块骨头还真不好确定。至于为什么会这样,到底难在什么地方,答案凸显了动物设计的第二个基本事实:每种动物都是由许多相同类型的部件组成的,就像搭积木一样。
这些部件有的比较小,比如单个趾骨;有的相当大,比如某些脊椎动物的脊柱(椎骨)。这些基本部件不仅古已有之,而且不管动物体形相互之间怎样千差万别,这些部件在其各自身体中总是保持固定的比例。从同属侏罗纪时期(距今超过 1.5 亿年)的巨型蜥脚类恐龙和娇小精致的蝾螈就可以看到脊椎动物在身体构造上共有的、重复出现的、模块化的结构特点。
模块化设计反复出现的情况,并不仅仅见于脊椎动物。比如加拿大落基山脉著名的伯吉斯页岩层化石群,就是 5 亿多年前活跃在寒武纪海洋中的首批大型复杂动物的一些成员,从它们的化石中就能看到它们模块化身体部件的各种变体版本,跟它们的现生后代都十分多样。这些化石的吸引力是多层面的。当然了,目睹并亲手触摸到这些生活在早就消失的远古世界的猛兽,必然会激发出人们由衷的敬畏与惊叹之情。但同时我们也被它们的形态打动。这些化石证明了,借用拟人化的说法,“进化”在设计各种动物之际不仅重复使用了一些部件,而且使许多结构都具有模块化特点。
比较不同的身体部位也能看到模块化设计的情况反复出现。比如人类四肢就采用了相似的模块化设计,每一肢都包含好几个部分(如大腿、小腿、脚踝或上臂、前臂、手腕),手和脚各有 5 个相似的指或趾。这种出现在四足脊椎动物每一肢上的模块化设计也有非常悠久的历史,从侏罗纪时期的化石中就能清楚看到。
有时,某个结构的模块化设计可能不是那么显而易见。就像蝴蝶翅上复杂的图案,好像杂乱无章,但只要再看仔细一点,还是可以看出整个图案也是由多种基本图案元素反复出现而形成的。比如蓝色大闪蝶翅下部就有由反复出现的带状条纹、波浪线和眼斑组成的图案,同种元素之间又由翅脉形成区隔。这表明蝴蝶翅上由翅脉包围的每个区就是一个单元。整个图案就是这些模块化单元重复出现而形成的产物,每个单元包含的带状条纹、波浪线和眼斑在大小和外形上都有一点变化。