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《生命的成形》在婴儿呱呱坠地之前，那个神秘的世界究竟有着怎样的模样？
铛铛铃2025-09-14【科普】218人已围观
简介
今天为你解读的书是《生命的成型》，副标题是“人体从无到有的自我构建发育原理”。
人体是一个精妙绝伦的装置。你认为人体设计最令人叹为观止之处，体现在哪里呢？欢迎在评论区留言分享。
一个成年人的身体由近1万亿个细胞组成，超过了银河系星星数量的十倍。这个结构复杂的系统，包含了数百种类型的细胞，它们都能各居其位，恰到好处地分裂与更新，来保证生命的运转。我们是如何从一颗受精卵，发育成一个完整的个体？我到底从何而来？一个全新的生命是如何从无到有形成的？人体自我构建的过程中，遵循什么样的发育原理？《生命的成型》这本书将给你答案。
本书作者是英国爱丁堡大学实验解剖学教授杰米·A·戴维斯，他一生致力于研究哺乳动物器官的自我构建发育过程，已经发表了90余篇专业研究论文和数本学术专著。杰米同时还担任英国皇家医学会研究员和高等教育学院研究员，以及《器官发声》期刊的主编。在本书中，杰米分享了人类细胞组织学研究的发现和最新成果，带我们走入生命开始最初的那九个月，去了解人体从一个单细胞成为一个完整的人所经历的一段不平凡的旅程。
作者用绘画过程来类比胚胎完整发育的过程，我将通过发育的三个阶段，为您解读本书的主要内容。第一阶段，绘制草图，一颗受精卵发育出婴儿雏形；第二阶段，增加细节发育，完善身体系统的各个机能组织；第三阶段，精雕细琢，构建出能够适应外界环境的系统机制。
我们先来了解一下草图阶段，受精卵经历了哪些过程，发育成婴儿的雏形。人体的发育始于受精卵，它的直径大约为0.1mm，是人的裸眼刚好可以看到的尺寸，体积是普通人体细胞的上千倍。受精卵不需要停下来先让细胞生长，就可以直接通过持续的分裂，形成一个多细胞实体，迈出发育的关键一步。在这个阶段，受精卵的分裂过程和普通细胞一样，我们在中学生物课堂上已经了解过细胞的分裂过程。首先，一条DNA通过严格的核苷酸配对原则，在多种酶的辅助下，可以精准复制成两条DNA；然后，DNA和蛋白结合形成的染色体，整齐地排列在子细胞的正中间；最后在收缩蛋白的作用下，细胞膜内凹后彻底一分为二，形成两个子细胞。
那么细胞是如何确定子细胞的中心的呢？染色体又是如何精准、完整地分配到两个子细胞中的呢？细胞能够精准定位中心并均分染色体的关键是细胞中的微管蛋白，细微的微管道的管。细胞中有一种重要的细胞——中心体，它内部含有一种特殊的蛋白酶，能够催化微管蛋白相互连接，形成长长的管道微管。微管从中心体向外延伸辐射，直到微管触碰到细胞膜，产生相反方向的机械力。较短的微管受到较强的力，而较长的微管则受到较弱的力，中心体在力的综合作用下，会自发地向细胞的中心移动，直到各个方向受力达到动态平衡。确定两个子细胞的中心机制也类似，细胞内两个中心体放出的微管互相推挤受力，两个中心体自发地移动到未来子细胞的中心，不需要知道细胞的形状，也不需要任何坐标系统的指示，细胞会利用简单的规则自行组织。从中心体放射出去的微管，不仅定义了子细胞的中心，也保证复制好的染色体互相分离，从而使得每个新形成的细胞都能得到一套完整的染色体。
微管具有不稳定性，它们在合成一段时间后就会自行分解，但如果它们结合了某些特殊蛋白后，就会变得相对稳定，我们把这些特殊蛋白称为微管结合蛋白。每条染色体都有一个特定的区域，含有微管结合蛋白，微管随机生长，也随机消亡。生长中的微管，如果碰到了染色体的这个区域，就会变得稳定。因此，中心体通过微管连接着染色体，来到未来子细胞的中心。细胞分裂，还需要保证每个子细胞获得的染色体不会重复，其中的关键便是调节微管的稳定性。复制出来的两条染色体之间，由特殊的蛋白复合体连接，当染色体被拉向两端时，蛋白复合体感受到机械拉力，则释放信号，让微管变得更加稳定，反之则释放信号，让微管快速降解。这套机制确保了复制之后的染色体精准地分配到了两个子细胞中。
细胞分裂的过程，完美诠释了适应性自组织的发育原则，也就是简单的组分，遵循某些简单的规则，就可以共同形成大规模的、精致的装置。细胞利用微管对机械力的感应来确定中心，同时利用微管的稳定性，巧妙地将染色体均分到每个子细胞，并保证每个子细胞获得一套完整的染色体。这套机制被一次次的重复利用于受精卵细胞的分裂。早期卵细胞利用从母体继承来的营养物质，进行快速分裂，约每10~12小时完成一次分裂，直到分裂成由64个子细胞组成的胚胎。这时候细胞小到不能再小，急需从外部获取营养物质用于生长，必须有部分细胞专门获取营养，供其他细胞所需。至此，胚胎中的细胞发育开始分化，变得各不相同。
这些通过受精卵分裂形成的细胞完全一致，它们如何决定发育的方向呢？其实答案并不复杂，胚胎可以从几何规律中获得发育信息。在受精卵分裂成64个子细胞后，有些细胞完全被其他细胞包围而处于内部，而一些细胞的部分细胞膜对着外部空间，浸润在输卵管和子宫的液体中。细胞有一套复杂的机制，可以感知到自己是否有表面对着外部空间，并依据这些信息来决定下一步的发育方向。那些部分暴露在外的细胞，会激活之前处于沉没的一些基因，发育成胚胎中最早分化的组织——滋养外胚层，专门为胚胎其他部分提供营养。滋养外胚层发育成熟后，开始将营养液体不断泵入胚胎，原本被包裹的内细胞团，又有部分细胞接触液体，感知信号后，发育成致密的下胚层，将来发育成支持组织卵黄囊，早期为胎儿供血和输送养分。剩余部分细胞则发育出新的细胞层，上胚层将会发育成整个婴儿。
下胚层形成之后，中部细胞的一部分基因被激活，可以合成并分泌DNA结合蛋白，这部分细胞会移动到下胚层边缘，并聚集在一起。它们分泌的DNA结合蛋白可以短距离扩散，从而影响上胚层的发育进程。上胚层中距离聚集点较近的部分，发育成婴儿的头部，距离最远的位置不受DNA结合蛋白的影响，将发育成为身体的下半部分。胚胎由原本辐射对称的圆球发育成椭圆形，这个结构叫做圆条。原本的圆长条的内细胞团有时候并不是保持一个实体，而是分成两个细胞团，每个细胞团都会发育成一个单独的生命，这是同卵双胞胎最常见的形成方式，70%以上的双胞胎就是由此形成的。在胚胎发育过程中，如果下胚层被激活的细胞没能成功地聚集在一起，上胚层可能会形成两个圆条，发育出两个个体，这种同卵双胞胎的形成概率低于1%。在同一个上胚层发育出两个圆条是非常危险的，因为两个圆条之间没有明确的界限，非常容易出现分离失败，由此出生的双胞胎往往会共享身体的一部分，也就是我们常说的连体婴儿。
在形成圆条之后，上胚层继续发育，分化成三个完全不同的胚层，内胚层、中胚层和外胚层，这个阶段的胚胎也称为原肠胚。其中内胚层将发育成肠腔上皮和消化腺上皮，中胚层将发育成骨骼、肌肉、血液、淋巴等组织，而外胚层将发育成皮肤和神经组织。从受精卵发育形成原肠胚，大约需要15天之后，神经系统便开始了发育。这里一个重要的过程是神经管闭合，椭圆形胚胎的长轴，也就是身体中线发育而成的脊索，开始分泌信号蛋白，激活了部分外胚层细胞的基因，这部分被激活的细胞开始下沉到底部，两侧细胞移动合并到一起，直至神经管完全闭合，脱离外胚层，形成神经系统的基础。
人体神经管的闭合发生在怀孕后的第三到第四周，它是一个比较容易出现问题的过程。如果没有闭合的位置发生在大脑或者脊髓部分，儿童出生后就会出现下肢瘫痪、大小便失禁等发育缺陷。苏格兰地区曾经频繁出现胚胎神经管闭合不成功的案例，后续研究发现这些案例中神经管的外胚层细胞因为增长速度不足，导致神经管两侧没有互相接触。进一步的研究发现，神经管闭合组织中的叶酸含量十分关键，足量的叶酸能够保证外胚层的细胞增殖速度，从而促进神经管闭合。工业化初期的苏格兰部分地区，由于孕妇缺少新鲜瓜果、蔬菜等富含叶酸食物的摄入，导致胎儿高频出现神经管闭合异常的现象。现如今，孕妇额外补充叶酸已经成了全球通用的预防胚胎神经管发育异常的有效手段。
在神经系统发育的同时，内胚层也在逐步发育出消化管道。至此，一个单细胞的胚胎在四周左右的时间里，通过自我组织，利用简单的发育规则，把自己变成了由几千个细胞组成的、具有简单身体结构的群体胚胎。有了头尾区分明确的身体主轴，神经管贯穿背部长轴，消化道在前方延伸，胚胎已经发育出了可辨识的基本结构，完成了草图的绘制。下一阶段就要开始精巧的完善细节结构了。
第二部分我们来了解一下胚胎如何增加细节，构建生命体的复杂组织。人体想要存活下来，总是要同时运转很多事情，甚至不同事情之间相互冲突。比如一位母亲需要在消化食物中蛋白质的同时，合成新的蛋白，为婴儿提供母乳。人体通过划分区域来解决这个问题，人体不同部分被划分为各司其职的器官，器官又进一步划分为不同的组织，每个组织行使器官的不同功能。比如肺负责给血液加氧，小肠从食物中吸收营养，胰腺首先分泌酶帮助小肠消化，继而分泌激素调节食物的消化、吸收，肾脏过滤血液中的废物等。发育出器官就是胚胎在增加细节环节需要完成的任务，包括内脏器官、血液系统、四肢、生殖系统、神经网络等。我们来逐个认识一下。
心脏是最早形成的器官，在怀孕19天后开始形成，主要来源于中胚层的头部外缘，这里的细胞分化成为心源细胞，并吸引其他类型的心肌细胞融合发育，形成心脏。肺、肝脏、胰腺和胆囊则起源于内胚层发育出的肠道分支，分支接收到中胚层细胞发出的信号，不断增殖完善，最终发育出完整的器官。而脾脏、生殖腺、肾脏以及泌尿系统则完全源自于中胚层，经历管道合并聚集细胞发育而来。
在胚胎发育的早期，细胞利用分子的随机扩散运动，完成营养物质的短距离交换。随着细胞的增多，营养物质的运输变得越来越低效，因而胚胎需要构建出一种高效的血液系统，将营养物质带到身体各个细胞。血液系统包含四个组成部分，一是血液中的液体成分，用于运载大多数营养物质和毒素；二是自由漂浮在液体中，专门用于携带氧气的血细胞；三是能把血液带到各个组织的封闭管道系统；四是一个能为血液提供动力的心脏，让血液能在提供有用物质和使用这些物质的组织之间流动。大约在受精卵发育的第14天后，血液系统开始由中胚层的细胞发育分化而来。而人体血管网络的发育会持续一生，尤其是那些把血液带到组织深处的毛细血管，会根据身体组织对氧气的需求快速做出响应。一旦组织细胞处于缺氧状态，细胞将分泌缺氧诱导因子蛋白，这个信号被传递到血管壁细胞后，会促进血管迅速向最缺氧的方向增殖延伸，通过新鲜的血液将氧气带给缺氧的组织细胞。待氧气充足之后，缺氧诱导因子会迅速降解，停止释放缺氧的信号。
对人类的生存而言，四肢必不可少。人体胚胎出现四肢的迹象最早表现在怀孕后的第24天，紧贴在外胚层下方的细胞接收到中胚层发出的信号后，快速增殖，在胚胎侧面形成小凸起，小凸起持续的增殖、分化，发育出骨头、肌肉等各种组织。机体生长过程中需要高效的供血系统，如果血管不能及时生长而发育失败，胎儿就会出现四肢短小或者畸形。比如从1958年开始，很多孕妇服用沙利度胺来抑制尘土，沙利度胺原本是一种主要作为镇静剂和消炎的药物。然而在1961年，科学家发现沙利度胺在人体内分解产生的一种分子会强烈抑制胎儿的血管生长。如果母亲在胎儿四肢发育的时期服用这种药物，胎儿出现四肢短小或者畸形的概率明显升高。
人们对于胎儿性别总是充满了好奇，在怀孕后的七周内，只能通过染色体检测来判断性别。然而，真正决定性别的核心是性腺，性腺主要由两类细胞构成，生殖细胞和体细胞。生殖细胞起源于圆条的上胚层，而后经由肠道的外表面移动到性腺区域，和体细胞融合发育成性腺。如果一个胚胎含有Y染色体，就可以指导细胞分泌特有的信号蛋白，激活性腺体细胞内部分沉没的基因，这部分体细胞迅速增殖，通过分泌激素调节身体各个组织器官发育成男孩。而没有Y染色体的胚胎无法激活性腺体细胞内的沉没基因，导致性腺体细胞释放不同的激素，发育成女孩。形成男孩或女孩的过程会经历十分复杂的发育机制，其核心是性腺从DNA中获取性别发育的信号后，分泌激素调节其他组织器官发育，包括生殖器官、乳腺、骨骼形状、毛发分布等。
在胎儿发育出的所有器官中，中央神经系统是最惊人的神经网络，可以将数百亿个细胞相互连接，协调身体各个组织和器官相互协作。怀孕第3~4周时，人体的神经系统开始发育，中枢神经系统起源于早期胚胎的神经管，头部神经管经过膨胀折叠后发育成大脑，其余部分则发育成脊髓，通过神经元细胞连接身体各个组织器官。神经元与周围细胞的联系方式主要是发展出细长的部件——树突和轴突，树突可以接收其他神经元的信号输入并进行局部计算，轴突则把神经元产生的信号通过释放神经递质的方式传递给其他神经元和肌肉细胞。轴突的长度可以根据组织需要不断生长延长，与其他细胞建立连接，最长可以达到神经元细胞本体的数万倍，比如连接脊髓、肌部和脚的轴突仅一米长。神经系统连接的建立会持续人的一生，随着后天的学习，神经系统不断完善模式，增加连接强度，组成复杂而高效的神经网络。
胚胎利用细胞间的相互交流，进一步增殖和分化，为身体增加了很多细节，系统性地构建了组织器官。胎儿终究是要脱离子宫的，人体还要学会如何适应复杂的外部环境，保证健康成长。我们最后就来了解一下胚胎如何通过精雕细琢，以培养胎儿离开母亲后的学习和适应能力。
当孩子离开母体后，会听到纷杂的声音，看到外部的花花世界，他们需要学习去了解周遭的一切，并形成自己的意识。1960年，加拿大神经科学家唐纳德·赫布首先提出了学习的运作机制，那就是改变神经元细胞已有连接的强度。比如狗闻到或者看到自己可以享用的食物时，会自然而然地分泌唾液。如果我们在给狗食物之前重复一个无关的刺激，例如口哨声，经过一段时间后，即使没有食物，狗在听到同样的口哨声之后也会分泌唾液，因为听到哨声和分泌唾液这两类神经元细胞之间的连接强度增强了。在没有其他信号的干扰下，狗已经通过训练完成了学习。现在流行的人工智能神经网络，就是模拟的生物神经元系统的这种机制，通过大量数据的训练，增强神经元之间的连接强度，从而达到智能化处理信息的目的。
神经元细胞之间连接强度的改变并不是唯一的学习方式，最新的研究表明，神经元之间的联系方式也可以被破坏，扩展新的连接。以视觉系统的发育为例，婴儿在出生之前，视网膜神经元细胞与大脑建立的连接非常粗糙，神经元的轴突连接到的细胞或正确或错误，此时婴儿的视力是相当模糊的。婴儿在出生并睁开眼睛之后，大脑就开始根据视觉神经元突触放电与接收细胞放电的一致性重塑连接模式。假如一个神经元细胞连接的都是来自于左眼的神经元轴突，由于左眼呈现的是同一视野里的画面，因此这些轴突传递过来的信号应是基本一致的。如果其中个别轴突传递过来的信号总是与其他不一致，那么就说明它连接错了细胞，错误的连接会被破坏，自由的轴突末端就会尝试连接其他细胞，并不断重复这个过程，直到连接到正确的细胞，完成连接方式的改变。大脑通过不断修正视网膜神经元细胞的连接，成功地将外部世界表现一致的输入联系到一起，让他们控制同样的神经元。通过改变神经元细胞之间的连接强度和对连接的更改、重组奠定了语言、联想等高级学习能力的基础，帮助婴儿出生之后在复杂多变的外部环境中不断学习适应。
当婴儿脱离子宫，来到外部世界发展心智的同时，还要和微生物打交道，有些微生物对人体有益，有些则有害，它们不得不学会交友与迎敌。先来说一说交友，这些朋友是肠道中的益生菌。在健康的肠道中，每克组织内含有数十亿到上百亿的细菌，这些细菌行使着重要的功能，它们能够分泌多种酶，将人体不能消化的大分子分解成可以被肠道吸收利用的小分子，它们还可以将对人体有毒的物质快速降解，让食物变得更加安全。婴儿可以从产道或者喂养的过程中接触到益生菌，这些益生菌进入婴儿口中，会在吞咽口水时通过胃部一路到达肠道，开启与人体细胞的互利共生。比如肠道内常见的将大分子碳水化合物分解成小分子糖类的多型泥杆菌，它一旦进入肠道，就会分泌一种能被小肠细胞检测到的分子，小肠细胞接收到信号之后，就开始给糖类添加盐藻糖基，以保证多型泥杆菌获得充足的食物，而其他不能分泌盐藻糖酶的微生物则因为无法获得食物而被饿死。消化道的每个部分都通过类似的交流机制与益生菌交友，为它们所需要的特定细菌创造合适的生长环境。
然而，不是所有的细菌都是有益的，无数细菌或病毒都在虎视眈眈地寻找机会侵害我们的身体，婴儿必须要学会迎敌。幸运的是，人类发育出了非常强大的防御系统，可以有效抵挡和消灭绝大多数入侵者。人体的防御系统分为三道防线，第一道是被动防御，包括物理和化学防御，例如皮肤外侧坚细胞层，鼻、口、气管和肠道内的黏膜，以及遍布在血液和内部组织液中的成孔蛋白；第二道防线是主动防御，由具有迁移特性的吞噬细胞组成，细菌在体内释放的废物等信号能够被吞噬细胞检测到，并向着细菌方向迁移，一旦捕获到细菌，吞噬细胞就会分泌大量的信号，增加附近血液的流量，带来更多的吞噬细胞元菌。同时，吞噬细胞还会释放高毒性的混合化合物，吞噬和破坏遇到的细菌。吞噬细胞被激活后，也会给正常的人体组织造成伤害，血液流量增加导致局部发红变热，混合毒物的攻击会让神经末梢感受到疼痛，出现我们常见的发炎症状。虽然炎症反应是个招人烦的东西，但是这么做是有意义的，因为有些细菌藏身于细胞内部，吞噬细胞不能直接检测或者对付它们，杀死邻近的人体组织细胞可以阻止疾病的进一步发展。第三道防线是适应性免疫系统，这是脊椎动物独有的模式，在身体每次面临新的病原体威胁时，体内的B淋巴细胞和T淋巴细胞会被激活，增殖和分化，并参与消灭抗原的抵抗过程。那些在战斗中被激活的T细胞和B细胞会保留快速反应的能力，面对特定的对手时能迅速反应，甚至不需要等到组织损伤带来的信号，从而防止我们再次感染疾病，提供持久的防御和保护。我们现在接种的疫苗就是利用这套机制，让人体对特定的细菌或病毒具有持久抵抗力。
在精雕细琢环节，人体通过与不可预测的环境进行互动，快速对神经系统进行了适应性重组，对外界的微生物构建出了交友和迎敌的机制，为自己在离开母体之后的健康成长保驾护航。生命的成型是一个复杂的过程，正如英国著名诗人塞缪尔·泰勒·柯勒律治所说，一个人出生前九个月的历史，可能比之后的70年更有趣。另一方面，大道至简，一颗受精卵遵循适应性自组织原则，就能逐步分化发育出一系列组织器官，这样简单优雅的运行法则在自然界中还有哪些呢？欢迎在评论区留言分享。
好，《生命的成型》就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期见。
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