为什么我们不是球形？和艾伦·图灵一起打破胚胎的对称性

布雷特利公园艾伦·图灵的雕像

你也许看过电影《模仿游戏》，它为我们再现了计算机之父艾伦·图灵的传奇一生，但是你知道这个天才的真实故事吗？他不仅破解了恩尼格玛密码，还给了我们电脑，而且还破解了圆形胚胎是如何能发育成各种形态。这是他在去世前两年所做的事情。

艾伦是一个英雄，他利用自己的天才头脑和以数学为导向的思想破解了纳粹在战争中用来交流的密码。他的努力和想法导致了机器的发展，其中一个是你现在用来阅读的。他提出的图灵测试是人工智能的基准。但除了这些广受欢迎的成就，他在1952年，也就是他去世前两年，破解了另一个密码。如果沃森和克里克没有在1953年发表轰动一时的《遗传密码结构》，那一定是图灵的论文。那么，这位数学家到底对生物学说了些什么?

为什么我们不是球形对称和形态发生理论

胚胎发育的早期阶段

请看上面图片中的桑椹胚或囊胚。这就是你，我，狗，或者海里的海豚最初的样子。这是每一个多细胞生命的开始。现在我们来想一下这些圆形的胚胎是怎样变成我们自己的。图灵不是生物学家。事实上，他工作的优雅之处在于他只用了一些方程式和一些假设就描述了胚胎的形态发生或发育过程，当时条件大多数用来测试胚胎的工具甚至都不存在于生物学家身上。

现在问问你们自己，图中细胞的球形质量，是否真的具有球形对称性?图灵1952年的论文《形态形成的化学基础》就是这样开篇的。他指出，并不是每个细胞都一定是相同的球形细胞质量。即使桑椹胚和囊胚是由经过多次分裂的合子发育而成的，你可以根据它们在球体中的位置，甚至是在子宫中的位置，对它们分泌的化合物造成轻微的变化。胚胎中靠近子宫壁的细胞分泌的某些因子的浓度可能与远端细胞不同。他把这些因素称为形态形成因子。

在沃森和克里克之前一年，图灵在他的论文中假设大多数基因是催化剂，它们的唯一目的是催化化学反应。但在某种程度上，这些催化剂会产生一种叫做形态发生剂的产物，它会扩散到组织中形成梯度。事实上，我们今天知道形态发生剂是更多的蛋白质或其它信号传导分子，它们向附近细胞的信号分子。细胞的反应取决于它们在梯度中的位置。梯度实际上就破坏了对称性，并给了细胞一个和位置相关的函数。这些细胞会表达哪些基因;会产生什么样的形态发生剂以及产生多少，将取决于初始梯度。在此之后，每一个细胞对初始梯度分泌形态原的反应都会进一步打破对称性。

激活因子-抑制因子的形态发生模式

巨大的河豚皮肤图案

图灵难以理解的是，仅仅是扩散梯度就能创造图案。比如斑马条纹上的图案。图灵为这种图案的形成提出了一个优美的方程式。他提出这些模式是由形态发生相互作用产生的。例如，如果第一个形态因子导致其他细胞在一定程度上表达自身的抑制剂，那么两个形态因子的梯度就会开始呈现规则的模式。

假设形态发生剂A赋予动物红色，导致自身和另一种形态发生剂B的表达，而B反过来抑制了A的作用，因此也抑制了A自身的产生。最初你会看到在源细胞附近所有的细胞都是红色的。随着B的抑制，A的浓度下降，B开始占主导地位，所以你看到一个黑色的斑块。所以就产生了第一个图案一个有黑色边界的红色斑点。如果你现在调整参数，比如A和B的扩散速度，你可以做出各种奇怪的图案。无论是斑马条纹还是你皮肤上毛囊之间的距离。

活化剂-抑制剂耦合方程预测的最简单模式。

形态形成是我们今天所知道的所有生物学发育的关键。形态形成有两个作用它给你的细胞位置和信息。比如细胞如何知道他们的手从肘部开始是否已经足够长了，是时候开始发育手掌和手指了。形态因子的组合可以形成规则的模式，告诉你的细胞如何塑造手指或者动脉何时分叉。事实上，图灵模式不仅解释了胚胎的发育，还解释了动物种群如何在生态系统中分散的。

然而，并不是每种模式都能形成图灵的直接激活抑制剂的模型。另一种机制可能是基因作为基于形态因子浓度的控制开关。然后其他图案，比如猫皮毛上的随机斑点，可能是细胞中x染色体失活的随机选择造成的。在大多数情况下，图灵机制是发现所有变异的关键，通过这些变异，形态学创造了胚胎模式和胚胎的发育(至少对所有形态依赖的模式)。

不幸的是，图灵在发表了他的第一篇生物学论文两年后去世了。想象一下，如果没有那些野蛮的法律反对同性恋者和激素治疗，他还可以给人类带来更多的创造性奇迹。

最后，留一个问题，你们可以试着回答。如果基因决定形态和梯度，那么为什么单卵双胞胎(拥有相同母体环境和相同基因的同卵双胞胎)有不同的指纹呢?为什么这些双胞胎的动脉分叉的长度不一样呢?