形態發生的化學基礎
兩種化學物質,一邊反應、一邊擴散,就能把均勻的組織變出斑點與條紋。
在一個胚胎長出任何斑點、條紋或四肢之前,它不過是一團幾乎毫無特徵、彼此一模一樣的細胞。這篇論文解釋了:它如何能給自己鋪出圖案——而且全無藍圖。
把這個想法拆開看
生命裡滿是規整的圖案:豹斑那均勻的間距、斑馬的條紋、蒼蠅身上的剛毛、繞著莖排開的芽。若細胞起初都一樣,這間距又從何而來?圖靈的回答是:圖案,能用化學把自己造出來。
設想兩種化學物質在組織裡飄移,一邊走一邊反應。一種會促進自己,卻只滲出很短一段距離;另一種——也由前者造出——鋪得遠得多,並把前者壓下去。真正出人意料的,是牠們合在一起所做的事。擴散,平時把差異抹成一片均勻的模糊,在這裡卻反其道而行——它把那些細小的、偶然的隆起,磨利成一種規整、重複的圖案。圖靈證明了這是可能的,並稱之為「擴散驅動失穩」。
它從哪裡來
艾倫·圖靈於 1952 年在曼徹斯特寫下此文,那時距他戰時的破譯工作、以及他為電腦奠基的工作,已過了幾年。他從機器轉向生命的形態,用世上最早的電子電腦之一——Ferranti Mark I——算出了一幅斑駁的圖案,這是整個生物學裡最早的電腦模擬之一。它也是他最後的作品之一。1952 年,他因身為同性戀者被起訴,被迫接受激素治療,並於 1954 年去世,這項工作未及完成。
它為何重要
它讓生物學能「免費」獲得結構。你不需要一位小小的建築師去逐個安放每一個斑點;一條簡單的化學規則,在所有地方同時、一遍遍地重複,就自己把整幅圖案鋪了下來。這個想法——秩序能從均勻的開端中湧現,一個系統能自我組織——成了我們理解發育的一塊基石,而它所及,遠不止動物的皮毛。
一種想像的方式
想想人群裡的一則謠言。一則有料的謠言會自我繁殖,傳給緊挨著你的人——這是一個短程的放大器。可它同時會觸發一句傳得更快的闢謠,搶先一步跑到前面,把更遠處的謠言壓下去——這是一個長程的阻尼器。從一群平靜、均勻的人開始,你最後得到的,不是一片均勻的低語,而是一處處相信謠言的人群,彼此間距均勻地隔開。把「謠言」換成「色素」,你就有了一頭豹子的雛形。
它落在何處
圖靈在本館出現了三次,每一次都站在一個起點上。他定義了「計算」本身(1936),並追問機器能否思考(1950);在這裡,他追問一具身體如何造出自己的形狀。達爾文(1859)解釋了形態為何會跨代改變,孟德爾(1866)解釋了性狀如何傳遞,而圖靈追問的是:一個受精卵,如何在物理上長成一個有圖案的生物。他那些反應著、鋪展著的化學物質,迴響著洛特卡與沃爾泰拉(1926)的捕食者–獵物循環——同樣是「彼此製造、彼此消耗」之物的數學。
It is suggested that a system of chemical substances, called morphogens, reacting together and diffusing through a tissue, is adequate to account for the main phenomena of morphogenesis.
Such a system, although it may originally be quite homogeneous, may later develop a pattern or structure due to an instability of the homogeneous equilibrium, which is triggered off by random disturbances.
These substances will be called morphogens, the word being intended to convey the idea of a form producer.
This model will be a simplification and an idealization, and consequently a falsification.