形态发生的化学基础
两种化学物质,一边反应、一边扩散,就能把均匀的组织变出斑点与条纹。
在一个胚胎长出任何斑点、条纹或四肢之前,它不过是一团几乎毫无特征、彼此一模一样的细胞。这篇论文解释了:它如何能给自己铺出图案——而且全无蓝图。
把这个想法拆开看
生命里满是规整的图案:豹斑那均匀的间距、斑马的条纹、苍蝇身上的刚毛、绕着茎排开的芽。若细胞起初都一样,这间距又从何而来?图灵的回答是:图案,能用化学把自己造出来。
设想两种化学物质在组织里飘移,一边走一边反应。一种会促进自己,却只渗出很短一段距离;另一种——也由前者造出——铺得远得多,并把前者压下去。真正出人意料的,是它们合在一起所做的事。扩散,平时把差异抹成一片均匀的模糊,在这里却反其道而行——它把那些细小的、偶然的隆起,磨利成一种规整、重复的图案。图灵证明了这是可能的,并称之为「扩散驱动失稳」。
它从哪里来
艾伦·图灵于 1952 年在曼彻斯特写下此文,那时距他战时的破译工作、以及他为计算机奠基的工作,已过了几年。他从机器转向生命的形态,用世上最早的电子计算机之一——Ferranti Mark I——算出了一幅斑驳的图案,这是整个生物学里最早的计算机模拟之一。它也是他最后的作品之一。1952 年,他因身为同性恋者被起诉,被迫接受激素治疗,并于 1954 年去世,这项工作未及完成。
它为何重要
它让生物学能「免费」获得结构。你不需要一位小小的建筑师去逐个安放每一个斑点;一条简单的化学规则,在所有地方同时、一遍遍地重复,就自己把整幅图案铺了下来。这个想法——秩序能从均匀的开端中涌现,一个系统能自我组织——成了我们理解发育的一块基石,而它所及,远不止动物的皮毛。
一种想象的方式
想想人群里的一则谣言。一则有料的谣言会自我繁殖,传给紧挨着你的人——这是一个短程的放大器。可它同时会触发一句传得更快的辟谣,抢先一步跑到前面,把更远处的谣言压下去——这是一个长程的阻尼器。从一群平静、均匀的人开始,你最后得到的,不是一片均匀的低语,而是一处处相信谣言的人群,彼此间距均匀地隔开。把「谣言」换成「色素」,你就有了一头豹子的雏形。
它落在何处
图灵在本馆出现了三次,每一次都站在一个起点上。他定义了「计算」本身(1936),并追问机器能否思考(1950);在这里,他追问一具身体如何造出自己的形状。达尔文(1859)解释了形态为何会跨代改变,孟德尔(1866)解释了性状如何传递,而图灵追问的是:一个受精卵,如何在物理上长成一个有图案的生物。他那些反应着、铺展着的化学物质,回响着洛特卡与沃尔泰拉(1926)的捕食者–猎物循环——同样是「彼此制造、彼此消耗」之物的数学。
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.