问题

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?

回答
这个问题特别棒!它触及到了生命最核心的奥秘之一。你想啊,如果动物真的可以随心所欲地变成另一种动物,这个世界会变成什么样?简直不敢想象!

那我们先来聊聊,为什么它们不能像变魔术一样说变就变呢?这背后可是一套非常精密、非常古老的设计。

首先,得从它们的“蓝图”说起。你有没有看过说明书?每一件东西,比如你的玩具,都有一个设计图,告诉你它应该长什么样,怎么运作的。动物也一样,它们身体里有一份非常非常详细的“说明书”,这份说明书就藏在它们叫做“基因”的东西里。这些基因就像一个个小小的指令,告诉身体里的细胞应该怎么生长,怎么分化,最终组成一个个特定的器官和结构。比如,有的基因会告诉你的身体要长出四条腿,有的会告诉你要有翅膀,有的会告诉你眼睛长在哪里,耳朵是什么形状。

所以,一个猫咪的基因里写满了“猫咪”的指令,它就只能按照这些指令一步步长大,变成一只猫。它没有关于“变成鸟”的指令,所以它不可能突然长出翅膀,也无法改变爪子变成鸟的脚。这种基因的稳定和传承,是保证动物能够一代一代延续下来,并且保持物种特征的关键。你想想,如果一只狮子突然变成了兔子,那它怎么捕食?它还能算是狮子吗?所以,固定的形态,是对它们生存方式的保障。

然后,我们再说说身体的“硬件”和“软件”。基因就像是软件,它告诉身体该做什么。而骨骼、肌肉、内脏等等,就是电脑的硬件。你想把一个台式电脑变成一个手机,这根本不可能,因为它们的硬件构造完全不同。动物的身体也是这样,它们的骨骼结构、消化系统、呼吸系统,都是根据它们特定的生活方式演化出来的。

比如,鸟类有轻巧的骨骼和发达的胸肌,是为了能飞行。鱼类有鳃,是为了在水里呼吸。蛇没有腿,是为了在狭窄的地方穿梭。这些“硬件”的构成,都是为了适应它们各自生存的环境和捕食、防御的需要。如果一匹马想变成一只老鹰,它的马蹄子怎么可能变成爪子?它的消化系统怎么可能处理昆虫的食物?这完全是两套不兼容的系统。

再来,我们要理解“进化”这个概念。生命不是一开始就长成现在这个样子的。而是经过了漫长的、非常非常漫长的过程,一点一点地改变和适应。想象一下,就像玩一个特别古老的游戏,每过一关,你可能只能稍微升级一下你的角色,比如让你的武器更锋利一点,或者增加一点防御力。动物的身体结构也是这样,它们并不是一下子就“跳跃式”地变成另一种完全不同的动物,而是通过很多很多代,一点点微小的变化积累起来的。

这个过程叫做“自然选择”。什么意思呢?就是说,在各种各样的环境里,那些身体结构更适合生存和繁衍的动物,就更容易活下来,然后把它们“好的基因”传给下一代。比如,在有捕食者的环境中,跑得更快的兔子更容易逃命,那么它们的后代也会倾向于继承“跑得快”的基因。久而久之,这些微小的优势积累起来,就可能让一个物种的特征发生变化。但是,这个变化是渐进的,是基于现有的身体结构进行的微调,而不是天翻地覆的改变。它更像是“升级打怪”,而不是“重装系统”。

所以,动物不能自主变成另一种动物的形态,是因为:

基因的指令是固定的: 它们身体里的基因蓝图只写了“变成它自己”的指令,没有写“变成别人”的。
身体结构的不可替代性: 它们的骨骼、肌肉、器官都是为了适应特定生活方式而精心演化的“硬件”,无法随意替换。
进化的缓慢与渐进: 生命的改变是通过漫长的时间,通过微小的遗传变化积累起来的,而不是瞬间的转变。

这就像你不能让一辆自行车突然长出翅膀变成飞机一样,它们的根本构造和设计就决定了它们各自的命运和能力。

虽然动物不能随意变形,但它们本身就已经非常神奇了!你看,它们为了适应不同的环境,进化出了多么不可思议的能力和形态啊!有的能在水里呼吸,有的能在天上飞,有的能在黑暗中看见,有的能伪装得跟周围环境一样。这些都是它们独特的“超能力”,也是生命力的体现。

所以,下次你看到一只动物,可以想想它身体里那些看不见的“说明书”,想想它为了适应这个世界付出了多少努力,演化出了多么精妙的构造。它们之所以不能随便变,恰恰是因为它们已经成为了这个世界上最适合自己的那个样子。是不是很酷?

网友意见

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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.

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可以变的啊:小朋友熟悉的小蝌蚪找妈妈,这故事里的主人公的形态就是变了的啊,所以才需要“找妈妈”啊。


如果说成年之后的:

在外形上的变化也很大。


另外,还有很多动物都有“拟态”这种技能,例如说大名鼎鼎的章鱼:


最后一点:人类有自然界独一份的“逻辑思维能力”。也就是可以通过各种研究观察,总结和推理出“某形态A和某形态B其实本质上是同一种动物的不同两种形态”这类结论。所以,在学习这类知识后,我们自然会直接把“形态A和形态B”全都归为一个物种。自然我们就可以得出结论说“不能自主变成另一种动物的形态”。

然而实际上,刨除了人类的“逻辑思维能力”之后,别说河豚或者章鱼这么高级的“变形”,哪怕是突然直立身子、耸毛炸毛、变色之类的“小儿科”,都能在一定程度上吓阻潜在的(非人类)对手——也就是说在很多(非人类)物种面前,上面这些“小儿科”的举动,都已经足以构成“形态变化”了。

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