当孩子问「为什么动物有固定的形态，不能自主变成另一种动物的形态」要如何回答？ 第1页

我们小时候经常能想象自己以及身边的伙伴具有某种变形的能力，比如根据需要变出兽耳、翅膀一类的。或者具有超强的再生能力，比蚯蚓壁虎那种再生能力更强，像一些植物一样，胳膊腿齐根掉了仍然能够长出新的，被切成几块、拔几根毛就能变成很多个一模一样的人。

然而想象归想象，我们不用长大都已经知道其是不切实际的。然而其在生物学层面基本的原理是什么呢？

为什么包括我们人类在内的动物都有固定的形态，不能根据自己的需要随时自主变出另一种动物的形态呢？

这事要从所有真核细胞都有的同源框基因（Homeobox genes）说起。

细胞通过DNA和RNA上携带的遗传信息，表达出RNA核酶和蛋白质。然后再通过这些RNA核酶和蛋白质加工脂类和糖类，从而搭建细胞的结构，完成正常的功能。

细胞需要随时适应不同的环境，不同的生理过程之间也需要相互配合及时根据生化反应进行的步骤表达出合适的核酶和蛋白质，应该在什么情况下表达出哪些核酶和蛋白质，这就成为细胞需要精确处理的问题。

在一些细菌之中已经在DNA链出现一些简单的结构，这些结构可以被核酶和蛋白质结合，控制这个结构所在位置前后其他基因的表达。

而在真核生物里，这些结构进一步增多，在有的生物里数量甚至超过了的表达蛋白质的基因的数量。并且这些结构也不再仅仅是控制其在DNA链上前后基因的表达，有时候可以“盒子套盒子”，一个这种结结构通过表达小RNA再控制其他DNA链上很多个同类结构，同时控制很多基因的表达，这种能够一些控制很多基因表达的超级结构，就称为同源框基因（Homeobox genes）。

而在多细胞生物中，有一些同源异形基因（Homeobox genes），专门控制生物体某一个节段所有细胞之间的位置分布问题，并且监督多余的细胞程序性死亡，就称为同源异形基因（Hox genes）。

与植物的形态发育有许多组决定性基因不同，几乎所有动物的形态发育都完全依赖于Hox基因[1]。

这可能是因为左右对称和体节模式对动物太重要了。

棘皮动物虽然也使用Hox基因，但由于某些原因导致其Hox基因出现高变异，导致在其他动物中内脏不对称分布的Hox基因使棘皮动物完全失去左右对称，例如：海扁果类，虽然又变异出五角型轴对称[2]。其代价是，大多数棘皮动物都只能是底栖的过滤食生活或移动缓慢。

大多数动物中Hox基因的变异较少，新的结构总是依赖于旧基因。

当新的体节或结构形成时，仅仅是叠加旧的基因以改变体节的数量，然后在此基础上进行修改。

例如，苍蝇的触角和腿共享大量相同的编码。当头部的大部分结构已经完全发育，但触角尚未发育时，如果把头部的基因通过表观遗传技术“关闭”，那么苍蝇的头部将长出腿来[4] 。

鳍的对数与之类似。最初只进化出了胸鳍。后来出于身体支撑的需要，骨盆独立发育出来，然后胸鳍的Hox基因被平行转移至骨盆，形成了腹鳍[3]。

在此基础上，也可以想像与《人马小姐不迷茫》中出现的一样，在肋骨上再通过Hox基因平行转移形成一对肢体。

下面我们再举一个具体的例子，为什么我们都有五个手指呢，五个手指是如何被”同源异形基因（Hox genes）”决定的呢？

早期的四足动物中就有五个手指，它们的后代，除了少数动物如马在特化后一些指头消失了，大多数四足动物是四指或五指[1]。熊猫和棘螈前肢的更多的也是在五指的基础上改变掌骨表达形成的，并没有突破五指的模式。这就是同源异形基因（Hox genes）作用，及其在进化中高度保守性的体现。

为什么早期四足动物有五个手指。已经在对小鼠和青蛙的实验中通过诱导多指畸形进行研究，单一个手掌上手指数超过10个时，老鼠和青蛙都不能保持正常站立。与此同时，在早期的两栖动物中，仍然需要脚蹼承担鳍功能，手指数越多越有利于划水，五，可能是一个最平衡的数字。

五个指头除了可以在物理上平衡爬行和划水的效率以外，在遗传水平上也是一个平衡的数值。

编码手指的Hox基因的表达方式是一个一个叠加起来的，在第一个手指上表达一种Hox基因，在第二个手指上表达两种Hox基因，依此类推，在第十个手指上需要表达十种Hox基因[4]。

因此，由于多一个手指就需要叠加表达一个基因，手指实际上有保持较小数字的趋势。

然而，基于支撑鱼鳍的需要，鱼类又已经进化出来了更多的指骨。因此，手指在四足动物登陆的期间是一种重新减少的过程。

而在这个加/减两种趋势相互拮抗的过程中，五这个数字在遗传学和力学方面就称为了最佳选择。

这样，我们可以回到开头的问题，为什么我们不能根据需要变出兽耳、翅膀一类的，也不能像一些植物一样，胳膊腿齐根掉了仍然能够长出新的。

答案是显而易见的：

我们作为人类，没有携带别的动物编码他们那种形态的耳朵和翅膀的同源异形基因（Hox genes）的版本。

而胳膊腿齐根掉了，编码这一块躯体的初始表达对应同源异形基因（Hox genes）的那部分干细胞也就一起没了，而别的躯体部分的细胞已经表达了别的躯体部分的同源异形基因（Hox genes），不能再表达这一部分的。

如果我们想要获得“根据自己的需要随时自主变出另一种动物的形态” 的能力，需要获得那些具体的能力，然后综合形成这样的能力呢？

有没有可能进化出一种能够“根据自己的需要随时自主变出另一种动物的形态” 的动物呢？

首先需要有获取别的动物完整细胞并从中完整提取出全套同源异形基因（Hox genes）并完全解码出具体的核酶、蛋白质表达的对应关系。

然后还要能让完成这个过程的细胞完全位于神经系统的控制下。

人体皮肤、肠道都是能接受来自别的生物的蛋白质、脂质囊泡及其中携带的DNA、RNA的。

而大脑又具有分析别的生物的肢体动作，从而模仿别的生物的肢体动作的能力。

如果“科幻式”的思考一下，似乎好像有实现“根据自己的需要随时自主变出另一种动物的形态” 的潜能。

然而，解码出同源异形基因（Hox genes）与所有具体的核酶、蛋白质表达的对应关系，即使在我们人类现在利用基因工程的体外技术来对一个动物的全基因组进行测序分析，在有很多科学家用自己的大脑和很多台超级计算机合作一起来分析，仍然难以分析出结构很简单只有几个体节的动物的解码出同源异形基因（Hox genes）与所有具体的核酶、蛋白质表达的对应关系。而靠一个自身动物的大脑分析一些通过囊泡交流的信息来分析另一个动物的同源异形基因（Hox genes）与具体的核酶、蛋白质表达的对应关系，几乎是不可能的。所有这样能够“根据自己的需要随时自主变出另一种动物的形态” 的动物，也是基本上不可能进化出来的。

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参考文献：

[1] Meyerowitz E M. Plants compared to animals: the broadest comparative study of development[J]. Science, 2002, 295(5559): 1482-1485.

[2] Mooi R, David B. Radial symmetry, the anterior/posterior axis, and echinoderm Hox genes[J]. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2008, 39: 43-62.

[3] Struhl G. A homoeotic mutation transforming leg to antenna in Drosophila[J]. Nature, 1981, 292(5824): 635.

[4] Tabin, Clifford J. "Why we have (only) five fingers per hand: Hox genes and the evolution of paired limbs." Development 116.2 (1992): 289-296.