一枚受精卵长成完整的人，它怎么知道哪里该是眼睛、哪里该是心脏？

一个细胞最后能长成完整的人，它怎么知道哪里该是眼睛、哪里该是心脏？

这个问题我觉得特别有意思，因为它真正问的其实不是眼睛为什么长在这里，而是另一个更基础的问题：

一个细胞，怎么知道自己将来应该变成什么？

人最开始只是一个受精卵。它分裂成两个、四个、八个，再一路增加到几十亿、几万亿个细胞。

但如果只是不断复制自己，我们最后应该长成一大团一模一样的细胞才对。

真正神奇的是，分裂着分裂着，有些细胞变成了神经元，有些变成心肌细胞，有些变成皮肤，还有一些变成视网膜里的感光细胞。它们的形状、功能甚至寿命都可以完全不同。

而这些细胞拥有的DNA，基本上是一样的。

这里就涉及发育生物学里一个非常重要的概念：

细胞命运，cell fate。

所谓细胞命运，说白了就是：这个细胞以后会变成什么。

最开始的时候，胚胎里的很多细胞其实还没有完全决定自己的命运，它们仍然拥有很多种可能性。但随着胚胎不断发育，每个细胞可以选择的道路会越来越少。

图中的小球代表一个正在发育的细胞，山坡上的不同沟谷代表不同的细胞命运。早期细胞拥有较多的发展可能，随着发育进行，它会在基因调控和外界信号的共同作用下逐渐进入某一条“谷道”，最终分化成特定类型的细胞。沟谷越往下越稳定，也意味着细胞命运越来越难改变。

所以细胞命运不是受精的一瞬间，就已经给未来几十万亿个细胞分别发好了工作证。

它是一步一步被决定出来的。

那决定它命运的是什么？

其中一个非常重要的信息，就是：

你现在在哪里。

胚胎发育早期，细胞之间会不断释放各种信号分子。这些信号在胚胎中的分布并不均匀，有些地方多一些，有些地方少一些。

于是一个细胞虽然没有眼睛，也没有地图，但它可以根据周围收到的信号判断自己所处的位置。

这就是发育生物学里所谓的位置信息。这个概念在20世纪就已经被系统提出，用来解释一群原本很相似的细胞为什么会按照空间位置走上不同的分化道路。[1]

比如，同样是一群早期胚胎细胞，处在不同位置，接收到的信号组合不同，于是细胞内部开启的基因也会不一样。

注意，这里才是最关键的一步。

细胞之间真正的差别，并不是谁拥有一套眼睛DNA、谁拥有一套心脏DNA，而是谁把哪些基因打开了。

你可以把一个人的基因组理解成一本非常厚的说明书。几乎每个细胞都有完整的一本，但心肌细胞只使用其中与心肌相关的一部分内容，神经元则打开另一套基因。

于是细胞开始制造不同的蛋白质，形状开始改变，行为开始改变，最后功能也完全不同。

在人类胚胎发育过程中，这种差异很早就已经开始出现。对人类原肠胚进行单细胞分析可以看到，在受精后大约第三周，原本相对相似的细胞已经开始出现非常明显的基因表达差异，并逐渐形成不同的细胞类型。[2]

眼睛和心脏也就是这样来的。

未来形成眼睛的那部分细胞，因为处在特定的位置，经历了一系列特定信号，于是逐渐打开与眼睛发育相关的基因；未来形成心脏的细胞则走上了另一条路线。

没有一个细胞真正知道我要造一颗心脏。

它只是不断根据自己周围的信息，决定下一步该打开哪些基因、关闭哪些基因。

但是几百万个细胞同时按照这些规则行动，心脏最后真的就出现了。

这也是细胞命运这个概念最有意思的地方。

我们平时说命运，听起来好像是出生之前就已经注定的。但细胞的命运恰恰不是这样。

它更像是一条不断收窄的路。

刚开始选择很多，随着位置、周围信号和自己过去经历的不同，可能性越来越少，最终稳定成某一种细胞。

而且这种命运甚至不是绝对不可改变的。

2006年，山中伸弥和高桥和利做了一个后来获得诺贝尔奖的实验：他们向已经高度分化的小鼠成纤维细胞中加入几个关键的转录因子，居然把这些已经工作多年的体细胞重新变回了具有多种分化潜能的诱导多能干细胞，也就是今天大家经常听到的iPS细胞。[3]

这项实验其实说明了一件非常重要的事情：

细胞变成皮肤、心肌或者神经元，并不是因为它把其他基因扔掉了，而是因为它把自己的基因使用方式固定了下来。

所谓细胞命运，本质上就是一个细胞逐渐确定自己该使用哪一套基因程序的过程。

所以回到最开始的问题：

一个细胞怎么知道哪里应该长眼睛，哪里应该长心脏？

严格来说，它并不知道。

它只知道自己现在在哪里，周围的细胞给了它什么信号，以及自己现在应该打开哪些基因。

但就是这样一个看起来非常局部的规则，被几万亿个细胞一遍又一遍执行以后，最后竟然可以从一个受精卵，长出一个完整的人。

这才是发育生物学真正神奇的地方。

参考

1. ^Wolpert L. Positional information and the spatial pattern of cellular differentiation. Journal of Theoretical Biology. 1969;25(1):1-47. doi:10.1016/S0022-5193(69)80016-0.
2. ^Tyser RCV, Mahammadov E, Nakanoh S, et al. Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo. Nature. 2021;600:285-289. doi:10.1038/s41586-021-04158-y.
3. ^Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006;126(4):663-676. doi:10.1016/j.cell.2006.07.024.