第7章 身体内的进化
单个细胞如何形成人体？
来到光之城巴黎的游客大部分都会去卢浮宫。在卢浮宫的希腊和罗马文物区，绕过著名的断臂维纳斯，在达鲁阶梯的上面，有一尊美丽的雕像，名为萨莫色雷斯的胜利女神。雕塑虽然没有了头和手臂，仍然很迷人。雕塑家是怎么创造出来的？据说伟大的艺术家能想象作品最后的样子。大脑中的图像可以作为蓝图，但蓝图又是如何转化成雕塑的呢？具体的过程因材料而异。黏土雕塑有很多种做法，石头雕塑则只能切削。无论哪种，最终的雕塑都是添加或移除材料的繁琐过程的产物。每一次添加或移除都让形状与最终目标更为接近。每一个中间状态又成为下一次添加或移除的基础。
自然以类似的方式塑造事物，但没有蓝图。雪花的形成过程中，水分子倾向于附着到与空气接触最多的部位。每一个水分子的附着都会改变随后的分子的附着目标。基于少数简单的规则，构造出复杂的外形。岩石山峰的形成类似石雕。大地抬升，雨水和冰冲蚀掉一部分地貌，留下尖峰和山谷。自然的雕塑没有预先设计，但形成的过程与3维艺术的创造有类似之处。
雕刻的技术含量不高。原始人会用木头和石头雕刻小物件。古希腊人是这种简单技术的大师，创造了胜利女神、断臂维纳斯等不计其数的美丽雕塑。他们没有计算机可用于雕塑的3维设计，或是直接用工业机器人激光烧蚀大理石块来生成他们的设计。胜利女神可能有草图，但不可能像制造螺丝刀那样有详细的指令，或是今天用CAD/CAM（计算机辅助设计/制造）程序生成的设计图。第5章介绍了复杂引擎：收集说明目的性结构的信息的计算过程。雕塑家也会用同样的策略吗？我认为在雕塑的背后的确有类似的东西，但不完全是复杂引擎。与图5.2中的循环相比，缺少的要素是多次反复复制。
累积结构的形成在自然界随处可见。大多数自然事物都是通过对已存在结构的反复添加和删减产生。这个逻辑与复杂引擎的差别不大，但是缺少多重复制。前面简要介绍过计算链条的思想。其一般形式为：信息体1→操作→信息体2→操作→信息体3，等等。复制在这个链条中没有扮演重要角色；父代信息体为后代信息体提供了直接基础。雪花形成时，“操作”是将水分子添加到生长的结构上。信息内在于所有物理结构中，因为信息和结构就是同一事物的一体两面。因此，从信息的角度看，所有物理过程都是计算链条。如果链条具备了反复的循环，就具有了复杂引擎的许多要素，但不一定有多重复制。我们姑且将缺乏复制的累计循环称为“构造引擎”。胜利女神和雪花都是构造引擎的现实例子。
石雕的过程中也有选择。雕刻家在每次抡锤之前，都会考虑凿子放置位置的多种可能。对下一个点的选择需要比较当前结构与想象的最终结构。水分子附着到生长的雪花上也有选择——每一次附着都有许多水分子趋近生长的雪花——但这里的选择不是基于与想象的形状或蓝图的比较，遵循的是统计性的简单规则。
为了从总体上把握事物形成的机理，我们将事物的各种形成方式组织成图7.1所示计算过程的层次。除了宇宙的起源可能是例外，所有结构的形成都是从某种预先存在的结构开始，因此顶层基本包括了一切事物。第一级分为确定性过程和概率性过程。概率性过程含有某种随机活动。与分子热运动有关的事物都划分到这部分。确定性过程不允许任何随机活动。这一类过程包括大部分电子计算和许多机械设备的操作，例如发条钟表。随机部分又分为序列性和迭代性。迭代性过程是反复执行同样的行为，而序列性过程则是顺序执行不同的行为。物理世界的大部分过程都是序列性的，有一些例如晶体的形成则是迭代性的。迭代分支又分为涉及复制的现象和不涉及复制的现象。各分支的最底层分为基于简单规则的结构和需要复杂规则（例如指令）的结构。简单规则和复杂规则之间没有明确的界线。确定性过程也可以分为序列性的和迭代性的，但这种区分不会带来新的认识，因此被略去。
复杂引擎位于图中右下角；也就是包含反复复制的概率性现象所在的位置。构造引擎所在的分支是不包含复制的概率性迭代。雪花和大理石雕像都位于这里。
构造引擎能生成很复杂的结构。用不包含复制的反复选择构造事物的最神奇的例子也许是从受精卵发育人体。身体的形成过程很类似雕刻，但没有雕刻家，也有点像雪花的形成。人体极为复杂。成年人大约由10万亿（1013）个细胞组成，包括200多种不同的细胞类型和不计其数的微小变化。细胞形成组织、器官和器官系统，它们在总体上表现出的目的性细节比受精卵DNA中能直接编码的要多得多。每个人都是从单细胞开始，DNA编码的新生婴儿的信息都存储在那个细胞中。因此科学家和哲学家们想知道，既然没有足够的DNA可以编码详细的指令告诉每个细胞变成什么样子和到哪里去，一个简单的细胞又是如何发育成人体的。
图7.1 结构的层次。各末端分支下面的括号中给出了例子
对此我们已经有了大致的认识。科学家发现，身体中的细胞根据环境信号分裂、改变蛋白质表达模式和死亡。大部分时候环境就是其他细胞。DNA提供了蓝图，或者应当称之为草图，结构则是通过添加和剔除细胞形成，逐渐构造出最终的形态。大致上，身体的形成是大量繁殖细胞然后剔除不符合局部标准的细胞的过程。在这个过程中，所有细胞都受制于一些简单的局部规则，细胞的历史和位置决定了细胞的命运。DNA则承担了规则库的作用。
以人的手为例，成年人的手由大约1000亿（1011）个细胞组成，占身体的1%。这些细胞组成了皮肤、肌肉、骨骼、韧带、神经、血管、毛囊和指甲根（生长指甲的组织）。每种组织都包括几种不同的细胞类型，并且构成特定的形状。手有5根手指，每根都由骨骼支撑，通过灵活的关节连接。手的动作依靠肌肉收缩。神经连接到脊椎，由大脑协调肌肉的运动。所有结构都被皮肤包围，所有部分都配有血管。由于人的手都很相似，并且明显不同于狗的爪子或鱼的鳍，因此其设计是由人类的DNA决定的。
手比螺丝刀显然要复杂得多，我们在第4章看到，螺丝刀的形成需要大量指令。人类DNA还编码了腿、肝脏、大脑和耳朵等许多身体部位的信息，因此人类的DNA只有一小部分可以专门用于编码形成手所需的信息。显然身体中各处的肌肉、骨骼、血管和皮肤组织基本都一样，可以用同样的基因说明。但即便如此，还是必须有大量信息用于说明手与脚或鼻子的区别。这些信息具体是如何使用的还不完全清楚，但有一些是明确的。首先，手不是直接形成最终的形态，而是从大致相同的细胞中逐步产生出来。
形成手所需的大部分信息说明的都是位置怎样决定细胞的命运。邻近的细胞决定了胚胎细胞的行为。有两个过程扮演了关键角色。细胞分化，随着各种基因的开和关，细胞分裂并改变性质；以及细胞的协同运动，将细胞群放到新的环境中。除了最初的阶段，动物的发育主要是细胞的迁移，让细胞与新的邻居接触。这种迁移很随意，细胞经常“迷路”。迷路的细胞通常有两种结局：要么最终找到正确的位置，要么死去
。发育过程中许多细胞会死去，因为它们所处的时间和位置从周围的细胞接收到的分子信号与它们预先编程的需求不符。这些细胞可以说是自杀。
这种策略看似很浪费，但从保存信息的角度来看却很高效。要么身体要能容忍许多细胞位于错误的地方，要么就要有一个数据库告诉每一个细胞在什么时候出现在身体中的什么位置。如果有这个数据库，原则上迷路的细胞能知道什么时候从哪里到哪里去，或将自己重构成适合新位置的细胞类型。据我们所知，这种信息没有编码在DNA中，如果编码所有这些信息需要很多DNA。
基于位置的细胞选择有一个典型的例子就是手指的形成。在发育的早期，胚胎手的形状就像桨。在这个桨中，出现了交替的基因活动模式，导致形成9个交替的细胞区域，具有不同的基因表达模式。第一个区域的模式刺激细胞的分裂和分化，导致结缔组织的形成，邻近区域的模式则导致其中的细胞自杀。交替相邻区域的细胞有的成为骨骼，有的死亡。5个区域形成骨骼，间隔的4个区域的细胞则死亡。结果是在桨的位置形成了5个分开的部分（胚胎手指）。然后皮肤细胞迁移到形成骨骼的区域周围，形成分开的手指。从信息的角度来说，“剪开”和“戴上手套”是产生这种复杂形状的有效方法。
在动物的发育中，选择性的细胞死亡在许多复杂结构的形成中都扮演了重要角色。选择性修剪是发育和进化的核心特征，但并不是说身体在生长过程中进化出最终的形态。进化的思想不仅仅是适者生存。复杂引擎的核心是有细微变化的复制，然后选择最符合某种标准的复制体。发育过程中的选择通常不是因为基因变异，而是由于细胞特性与环境信号不匹配。细胞在不同的微环境中可能被激励或压制，取决于它们所处的环境。在这里细胞中的基因变异不起作用，被选择的结构也不会复制。
为了说明（无复制的）构造引擎与（复制的）复杂引擎的相似和不同之处，这一章将对大脑的形成与免疫反应进行比较。这两个系统都过于复杂，无法用细胞中的DNA直接描述；并且对于这两个系统，每个人都表现出独特的细胞结构、特征和分子层面的作用。两个系统的独特性都源自累积性的随机选择，但两个系统中随机性的产生和使用方式不同，只有免疫系统才具有对多重复制的选择。