在1986年的恐怖經典電影《變蠅人》中，Jeff Goldblum扮演的一位科學家無意中將自己和家蠅結合了起來，引發了令人毛骨悚然的結果。

在電影之外的真實世界裡，科學家的確會用果蠅來理解人體模式，而真實的變異果蠅同樣令人大開眼界：有的果蠅眉毛上可能不是觸角，而是腿；有的多出了一節胸，也多一對翅膀；還有的果蠅頭上的一大塊沒有了……這些詭異的果蠅有一個共同點——它們打亂了自己身體從頭到尾的排列。

也正是這些不起眼的果蠅，為Edward Lewis、Christiane Nüsslein-Volhard和Eric Wieschaus三人贏得了諾貝爾獎。1995年，他們因在早期胚胎髮育中基因調控的相關發現，共同分享了諾貝爾生理學或醫學獎。

對胚胎來說，為了發育成一個有頭有尾的個體，胚胎會從頭到尾分成若干單元，這個過程被稱為分節（segmentation）。果蠅有自己的分節路徑，它們會首先製造一大塊組織，然後切片，就像切一條麵包一樣。

1980年前後，Wieschaus和Nüsslein-Volhard兩人對果蠅胚胎進行了成功的遺傳篩選。他們透過給親代果蠅餵食一種強大的誘變劑，製造出了一大群攜有遺傳錯誤的幼蟲，其中包括出現了分節錯誤的幼蟲，這意味著這些果蠅胚胎從頭到尾節段的排列受到了影響。

從基因層面來看，整個過程其實很複雜。骨骼和肌肉節段，以及胚胎中其他組織的發育，都需要指導，這樣才能使身體的各個部位“裝配”正確，靠近前端的部分形成肩膀和手臂，而位於後端的部分形成臀部和腿部，等等。

20世紀70年代，Edward Lewis發現，果蠅身體器官的位置排列，和其相對應的基因在染色體的位置排列相同。他發現了動物發育過程的關鍵參與者，這些基因後來命名為Hox基因。

或許令人驚訝的是，在廣泛的生物中，參與這一過程的許多相關基因的排列、作用方式等十分相似，包括Hox基因和後來發現的許多基因。或者可以簡單理解成，每種動物似乎是以不同的方式，使用類似的基因工具，創造出了自己獨特的形狀。

和果蠅“組裝”身體的方式不同，脊椎動物（包括人類）在構建身體組織時，脊椎動物的節段起源於名為中胚層的組織。

中胚層夾在製造面板的細胞和製造大部分內臟的細胞之間，隨著胚胎的生長，靠近頭部的一部分中胚層組織開始以體節珠串的形式進行節段分裂，這種體節在未來的脊髓兩側各有一個。它們從中胚層中被擠出來，就像從管子裡擠出來牙膏，一個接一個地產生節段，發育變成脊椎和骨骼肌。如果分節過程出錯，椎骨可能會出現錯誤的形狀。

但哺乳動物同樣擁有Hox基因，基因在身體的不同部位中，以不同的組合方式被啟用。例如，小鼠會生長出一系列特定的椎骨，包括13個帶有肋骨的胸椎節段和6個沒有肋骨的腰椎節段。但當科學家培育出缺乏Hox10基因的小鼠時，這些小鼠在腰椎節段上長出了小肋骨。對人類來說，在罕見情況下，Hox基因的突變會產生各種各樣的影響，比如畸形足、脫髮、手指和腳趾多餘。

○ 一組名為Hox的基因在動物身體的不同部分被啟用，指導細胞和組織的發育。在DNA中，基因排列的順序與它們在發育胚胎中的排列順序相同。不同生物（如果蠅、小鼠和人類）的Hox基因有顯著的相似性。果蠅有一組Hox基因，而在哺乳動物中，Hox基因豐富到了4組（Hox A，B，C和D）。重複也導致了每組中Hox基因數量的增加。| 圖片來源：T. R. J. Lappin et al. / The Ulster Medical Journal

因此，這樣的機制需要生物體內有一種“標尺”，透過幫助細胞識別它們在身體中的位置，來指導分節過程和Hox的行為。

這把尺子是雙向梯度變化的。靠近頭部的細胞產生大量視黃酸，而位於尾部的細胞則產生另外兩種化合物，分別是FGF和Wnt。它們會沿著身體擴散，因此不同部位“分到”的化學物質含量各不相同。舉個例子來說，一個相對更靠近頭部的細胞會“知道”它的位置，因為它沐浴在大量視黃酸中，卻沒有很多的Wnt或FGF。

“標尺”告訴細胞它們需要啟用哪個Hox基因。Hox基因隨後會啟動其他基因，使椎骨或尾巴、手臂、肝臟等長成合適的大小和形狀。

但是，胚胎又是如何製造出數量合適的節段的？

在20世紀70年代，英國研究人員提出了一種“時鐘和波前”（clock and wavefront）的模型，胚胎的時鐘會“滴答”指示每個節段的產生時間。波前由從頭到尾的成熟過程組成，在成熟波波峰的細胞開始準備分節。每當時鐘“滴答”，它們就會吐出一個新的片段。

當時，科學家並不知道什麼樣的分子可以控制時鐘或波前，或者這個理論是否正確。時鐘的第一個確鑿證據來自上世紀90年代的“雞蛋實驗”。

發育生物學家Olivier Pourquié研究了雛雞的一種hairy基因，這種基因同樣與果蠅的分節有關。他和同事發現，hairy基因以一種週期性的方式啟動：它們從尾部開始，然後更靠近頭部，每90分鐘迴圈一次。而每90分鐘，胚胎就形成一個新的節段。這項研究證實了時鐘確實是分節過程的基礎。2012年，Michalis Averof在甲蟲身上發現了類似的迴圈存在。

科學家仍不清楚究竟是什麼設定了時鐘的節奏，但他們現在知道，其他多種蛋白質，包括其中兩種“標尺”蛋白質Wnt和FGF，還有另一種叫作Notch的蛋白，會啟動類似hairy基因。

而這個系統的另一部分，也就是成熟的波前，是以FGF濃度為表徵。由於FGF在尾部產生，所以這種蛋白質的水平在尾部最高，而在頭部最低。當時鍾“滴答”時，FGF水平足夠低的細胞會形成新的節段。

2008年，Pourquié在對蛇的研究中發現，改變時鐘的速度會對身體的計劃產生深遠的影響。蛇有數百段椎骨，相比之下，其他脊椎動物，比如雞、小鼠和人類的椎骨要少得多。Pourquié發現，和小鼠相比，蛇的“時鐘”加速了。時鐘走得越快，節段就越多，這就形成了蛇長長的脊椎。不過，他還不知道為什麼蛇的“時鐘”更快。

關於身體結構的排列還有很多問題等待解決。例如，這些Hox基因究竟如何在不同的動物身上創造出如此不同的身體構成，以及分節“時鐘”的速度又是如何剛好適合產生蛇、老鼠或人類的椎骨的。

當然，在人類身上研究這些十分困難。因此，Pourquié和他的同事最近開始在實驗室中研究人類幹細胞。他們利用基因設計，每開啟一個特定的時鐘基因，細胞就會閃爍黃光。研究人員觀察這些黃色的閃爍，發現時鐘的每聲“滴答”之間間隔5個小時。Pourquié現在的目標是找出，究竟什麼因素控制了這個間隔時間。

從這個角度來說，似乎恐怖電影里人和蒼蠅完美地融合在一起變得並不奇怪了。許多生物都是在用Wnt、FGF、Hox基因等等這些“原料”，而採取了不一樣的“方法”，而發育成了獨特的個體。

https://www.knowablemagazine.org/article/living-world/2020/how-do-bodies-position-arms-legs-wings-and-organs

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1995/summary/

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