無盡之形最美
出版時間：2012-7 出版社：上海科學技術出版社 作者：肖恩·卡羅爾 頁數(shù)：301 字數(shù)：220000 譯者：王晗
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內容概要
生命最偉大的奇觀體現(xiàn)在單個細胞(受精卵)發(fā)育成數(shù)十億乃至數(shù)萬億個細胞而組建動物的過程。長久以來，科學家們就知道，要是能夠闡明胚胎中形態(tài)和模式圖案如何出現(xiàn)的話，他們就能夠清楚地理解今天令人驚嘆的動物界的多樣性是怎樣從5億年前的原始形態(tài)演化而來的。在《無盡之形最美(動物建造和演化的奧秘)》中，著名生物學家肖恩·卡羅爾，演化發(fā)育生物學開創(chuàng)者之一，為廣大讀者打開了令人振奮的嶄新生物學分支一一演化發(fā)育生物學的黑匣子，展示了這場令人嘆為觀止的科學革命。書中詳細敘述了各種各樣的動物，包括我們人類本身是如何建造的以及它們的分子遺傳基礎?！稛o盡之形最美(動物建造和演化的奧秘)》的英文版出版后獲得一致好評，榮獲多項獎勵，如美國《發(fā)現(xiàn)》雜志和《今日美國》報等的科技圖書年度獎。
作者簡介
王晗：蘇州大學醫(yī)學部特聘教授，博士生導師，發(fā)育遺傳學和基因組學實驗室主任。曾任美國Oklahoma大學Assistant Professor，斑馬魚發(fā)育遺傳學和基因組學實驗室主任。
書籍目錄
譯者序
前言 第三次革命
導言 蝴蝶、斑馬和胚胎
第一部 動物的制造
第1章 動物建筑學：現(xiàn)代的形態(tài)與古老的設計
第2章 怪獸、突變體和主控基因
第3章 從大腸桿菌到大象
第4章 制造嬰兒：25000個需要組裝的基因
第5章 基因組中暗物質：工具盒的操作手冊
第二部 化石、基因和動物多樣性的制造
第6章 動物演化的大爆發(fā)
第7章 小爆發(fā)：翅膀及其他革命性的發(fā)明
第8章 蝴蝶是怎樣得到它的斑點
第9章 大自然如何涂黑色
第10章 美麗的靈魂：人類的制造
第11章 無盡之形最美
致謝
索引
章節(jié)摘錄
找回那只雞 前面我已經講述了在發(fā)育過程起作用的遺傳工具盒，而正是通過了對那些形形色色的果蠅突變體——如身體部件的數(shù)量發(fā)生錯誤的、在身體的錯誤部位長出部件的或缺失了整個主要身體結構的突變體——的研究，才促成了工具盒的發(fā)現(xiàn)。要感謝大自然，能夠在大多數(shù)情況下都做得不錯，從果蠅至兒童，都能確保在正確的身體部位長有正確的部件。然而這一切是如何發(fā)生的呢？這些驚人的基因是如何把一個簡單的受精卵轉變?yōu)閺碗s的動物呢？ “簡化論”（redunctionism）這個術語，是指生物學家在分子水平對生命過程進行探索時，他們常常把生命過程和結構分解或“簡化”到其分子組成部分。這樣的研究手段在過去半個多世紀中是非常成功的，其揭示了遺傳機制，闡明了許多疾病的成因，并且建立了一個年產值5000億美元的行業(yè)，從而為人類提供新的醫(yī)學治療和診斷。對簡化論思維的慣常反駁是：許多重要的生物實體——細胞、個體、種群以及生態(tài)群落等——都是在超越分子水平之上進行組建，所以單單靠分子水平的知識是無法解釋分子水平以上的各種性狀的。就如同即使知道了計算機是由硅、超導金屬以及塑料等組成的，但這仍不能告訴我們它是如何組建和運行的一樣，我們對工具盒基因的了解，距離真正搞清楚一個動物是如何從發(fā)育過程逐步形成的這一目標，還非常遙遠?！ ∵@樣情景使我們聯(lián)想到，早期胚胎學家首先采用了殘忍的方法分離不同類型的細胞，然后希望能揭示它們是如何在發(fā)育過程中組建成組織和器官的。著名的生物學家保羅·韋斯（Paul Weiss）曾經演示了他的胚胎學家伙伴所遇到簡化論困境：他先展示一幅完整的雞胚圖片，然后把一個胚胎放入粉碎機中進行粉碎，最后被粉碎的胚胎成分又被裝入離心機中進行離心。韋斯一針見血地指出了簡約論的難題：如何找回那只雞?！ ∵z傳工具盒基因只是生物遺傳材料中的一些小片段，例如僅占果蠅13700個基因或哺乳動物25000個基因中的一小部分。的確，我們已經鑒定出許多關鍵部分，但是我們又如何能夠找回那整個雞的全貌呢？或者哪怕僅僅找回一只完全的果蠅也好?。窟@就如同我們購買或收到了裝在一個大箱中的新玩具或電器，但打開箱子一看，卻僅僅發(fā)現(xiàn)一袋袋的零散部件和寫有“需要自行組裝”等令人泄氣字句的說明書。因此，這樣的挑戰(zhàn)應該足以讓我們警醒。在上一章中，我講述了生物學家從解開突變體之謎到發(fā)現(xiàn)各種主控基因的過程，而這一章我將聚焦在另外一個方向——如何從基因到開始建造動物?！ ?/pre>圖書封面
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用戶評論 (總計2條)
- Basic concepts
1. Evo devo (evolutionary developmental biology) - 動物的形態(tài)（form）由發(fā)育過程（developmental process）決定；不同的發(fā)育過程導致了形態(tài)的多樣性。要理解動物形態(tài)的多樣性和進化歷史必須在在development的框架下研究——這是evo devo這一學科的基礎。
2. Toolkit gene - Toolkit gene的發(fā)現(xiàn)將人們對發(fā)育過程的理解深入到分子層面。這里的toolkit gene其實是指指導發(fā)育過程的轉錄因子（transcriptional factor），可以開啟或關閉特定基因的表達。toolkit gene通過基因調控區(qū)一段特異的增強子（enhancer）序列識別基因。增強子可以決定基因的表達時間，地點和表達水平，有序的指導發(fā)育過程的進行。evo devo的研究發(fā)現(xiàn)，不同物種間發(fā)育過程的差異主要在于toolkit gene表達模式的差異；toolkit gene表達模式的差異源于其本身的增強子的差異。Nusslein-Volhard和她的同事Wieschaus在上世紀80年代通過系統(tǒng)的工作篩選出了果蠅發(fā)育中大部分的toolkit gene，和Ed Lewis共同分享了1995年的Nobel Prize。
3. Hox gene - Hox gene，Hox gene是一大類toolkit gene，決定著動物的體節(jié)的發(fā)育和分化，重要性可見一斑。Hox gene出名的另外一個原因是它極其保守，在無脊椎動物和脊椎動物中都存在——這說明它早在著名的寒武紀生物大爆發(fā)前就已經有了。其他著名的古老的toolkit gene還有調控眼睛發(fā)育的Pax6和心臟發(fā)育的tinman。Hox、Pax6和tinman給了我們綜合進化論的老祖宗Dobzhansky重重的一拳，因為老爺子說同源基因只在近緣物種中存在。而恰恰是因為hox gene和其他toolkit gene表達模式的變異，導致了物種形態(tài)的多樣性。
4. Willstone’s Law - “It is [also] a law in evolution that the parts in an organism tend toward reduction in number, with the fewer parts greatly specialized in function”. 進化里的law其實是很少的。Willstone’s Law基本上能算是evo devo的指導思想了。本書中的大量的例子都是Willstone’s Law的具體例證。
Evolutionary strategy
5. Evolution很少de novo的設計一個東西。許多特化的結構，如翅膀，都是從簡單的結構進化而來。 昆蟲的翅膀是從甲殼類的呼吸瓣進化而來，翼龍的翅膀是前肢的第四指延長形成，鳥的翅膀是由前肢特化形成。形態(tài)上的特化的分子機理是toolkit gene的功能的改變和創(chuàng)新。
6. Parallel evolution - 不同的物種會面臨類似的環(huán)境改變或挑戰(zhàn)。因此它們會發(fā)生平行進化（parallel evolution）。昆蟲，鳥和翼龍的翅膀就是一個很好的例子。在這個case里，不同的物種利用不同的方法進化出翅膀。在其他一些case里，不同物種利用相同方法產生平行進化，例如蝴蝶和果蠅的wing spot。
7. Protein coding region vs. regulatory region - 大部分toolkit gene都是轉錄翻譯成蛋白質來執(zhí)行發(fā)育過程。很容易想到toolkit gene的改變和創(chuàng)新是通過改變組成蛋白質的氨基酸序列來實現(xiàn)。實際上事實沒這么簡單。King和Wilson早在1975年就提出，人和黑猩猩蛋白質的氨基酸組成高度相似，所以導致人和黑猩猩差異的變異大部分位于基因的調控區(qū)。最近一系列evo devo的研究表明，evolution通過添加和刪除調控區(qū)域的增強子，可以特異改變該基因的表達模式，進而改變表型。
King, M. and A. Wilson (1975). "Evolution at two levels in humans and chimpanzees." Science 188(4184): 107-116.
Carroll, S. B. (2005). "Evolution at two levels: on genes and form." PLoS Biol 3(7): e245.
Some intriguing examples
8. Stickleback fish - Stickleback是進化學家的寵兒。stickleback有兩種ecological types：在海洋里的stickleback腹鰭處有明顯的棘突，在淡水里的stickleback則丟掉了棘突?？茖W家認為這是一個很好的適應性進化的例子。海洋里的stickleback需要通過棘突擴大身體的直徑，使其更難被大魚吃掉。而在淡水里，stickleback如果長著棘突，會被其天敵，一種叫dragonfly的幼蟲抓住并吃掉。stickleback的棘突是由一個叫Pitx1的toolkit基因調控。生活在海洋里的stickleback的Pitx1在pelvis有更高的表達量，因而長著長棘突。
Comment - 2010年David Kingsley group發(fā)現(xiàn)淡水型的stickleback通過丟掉調控區(qū)的enhancer而失去了Pitx1的表達，從而丟掉了棘突。有意思的是，這一段區(qū)域有強烈的達爾文正選擇的信號，印證了淡水型stickleback失去棘突是適應性進化的說法。
Chan, Y. F., et al. (2010). "Adaptive evolution of pelvic reduction in sticklebacks by recurrent deletion of a Pitx1 enhancer." Science 327(5963): 302-305.
9. Wing spots of butterfly - Butterfly的spot具有多種生物學功能，例如調節(jié)溫度，模仿嚇人的大眼睛嚇走捕食者，或者模仿有毒的蝴蝶使捕食者不敢下手（Bates擬態(tài)）。Sean Carroll group發(fā)現(xiàn)一個古老的、決定附肢發(fā)育的toolkit gene，Distal-less (Dll)居然調控wing spot的發(fā)育！這正好為evolution喜歡運用古老的基因做新的事情提供了新的例證。他們興奮的把文章投到nature，結果nature連審都不審。Ouch。他們接著把文章投到science，文章不但很快發(fā)表，還獲得了廣泛的關注。Times還因此專門做了一個專輯，名為”the secret of beauty”。
Comment - 關于Dll調控wing spot的故事遠遠沒有結束。Carroll和他的學生們在Dll在果蠅里同樣調控wing spot的發(fā)育。最新的一篇報道發(fā)現(xiàn)，在果蠅的一些species里面（Drosophila biarmipes等），Dll通過調控yellow和ebony兩個黑化基因形成新的wing spot。
Arnoult, L., et al. (2013). "Emergence and diversification of fly pigmentation through evolution of a gene regulatory module." Science 339(6126): 1423-1426.
10. Peppered moth - 著名的英國大黑蛾，是適應性進化最有利的例證。英國的工業(yè)污染將Peppered moth的棲息樹染成了黑色，peppered moth為了躲避鳥的捕食進化成了深色。遺傳學家將深色變種和淺色種雜交，發(fā)現(xiàn)深色的phenotype是由一個主效基因控制。
Comments - 近幾年來，genome study基因組序列為genetic研究提供了有力的工具。導致peppered moth黑化的基因（carbonaria）已經在2011年發(fā)現(xiàn)。
van’t Hof, A. E., et al. (2011). "Industrial melanism in British peppered moths has a singular and recent mutational origin." Science 332(6032): 958-960.
11. Human evolution - Human的進化特征非常引人注目，包括腦容量增大，直立行走，豐富的語言功能，幼態(tài)延長，面部特征的改變等。但是由于human無法進行遺傳學實驗，關于這些表型的遺傳學證據我們知道的非常少。這本書寫成的時候只發(fā)現(xiàn)FOXP2基因可能和語言的形成相關，MYH16和面部特征的改變相關。
Comment - mouse model是human evolution的一個解決方案。Kingsley group用mouse model發(fā)現(xiàn)AR基因調控區(qū)域的丟失可能導致人的penile spine的丟失；GADD45G基因調控區(qū)域的丟失可能導致人的腦容量擴大。此外，Sabeti group發(fā)現(xiàn)EDAR基因的一個氨基酸的改變可能導致東亞人的毛發(fā)和乳腺特征的改變。但是，mouse model非常難做，而且不一定適用于所有的情況，畢竟human和mouse還是存在著一定大的差異。
McLean, C. Y., et al. (2011). "Human-specific loss of regulatory DNA and the evolution of human-specific traits." Nature 471(7337): 216-219.
Kamberov, Y. G., et al. (2013). "Modeling recent human evolution in mice by expression of a selected EDAR variant." Cell 152(4): 691-702.
- 形態(tài)發(fā)生是發(fā)育生物學的一個核心問題。然而發(fā)育本身是一個縱向的過程，其遺傳基礎是調控元件和轉錄因子?？催@些message，所謂evo devo比較像是以順/反式作用元件為研究對象的進化生物學。