长成大象还是小鼠，取决于细胞里的这个小小时钟｜《自然》长文原文作者：MichaelMarshall

原文作者：MichaelMarshall
生物学家正在研究细胞里的微型计时器如何控制体型、寿命和衰老。
在位于西班牙巴塞罗那的实验室里， MikiEbisuya制作了一个“钟” ，但里面没有齿轮、弹簧和数字。这个钟从不滴答作响——它由基因和蛋白质组成，在实验室培养的单层细胞中记录着时间。这个生物钟十分微小，却可能导致了各种动物之间的巨大差别。
动物细胞充满活力，但每种动物细胞的节奏不尽相同。在所有已知的例子中，小鼠细胞运行速度比人类快，而后者又比鲸鱼快。这种区别影响了一只动物能长到多大、每个身体部位如何组织，甚至可能决定动物的寿命。但生物学家一直想知道，是哪种细胞计时器控制着细胞速度、又为何速度不一。
在众多控制细胞运作的时钟里，有一个时钟的面纱在研究浪潮中被逐渐揭开。这个时钟存在于早期胚胎里，它通过激活和关闭基因，敲打出规律的节奏。这种“分节时钟”（segmentationclock）还会造就重复的身体节段，比如我们脊柱中的椎骨。这就是Ebisuya在她的实验室里制造的计时器。

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插画：AlbertoSeveso
“我对生物学时间（biologicaltime）很感兴趣， ”Ebisuya说，她是欧洲分子生物学实验室（巴塞罗那）的发育生物学家， “但生物的寿命或妊娠期太长，研究太费时间。 ”因此快节奏的分节时钟就成为了一种理想的模型体系，她说。
生物学家们从上世纪90年代开始研究分节时钟，他们已经知道老鼠胚胎中的分节时钟运行速度大约是人类胚胎的两倍。胚胎发育速度，或胚胎各个部位的发育速度，对成体形态有重要影响。 Ebisuya等人想知道，发育节奏上的差异怎样造就了如此不同的生物躯体和生物行为。
在过去的三年里，答案正逐渐浮出水面。这主要是因为生物学家现在能用人类干细胞在体外培养出包含分节时钟的组织，从而深入研究其活动。
“能在人体[组织]中进行观察真是令人振奋， ”斯坦福大学的干细胞生物学家HelenBlau说， “这是一个重大的进步。 ”
这些研究成果颠覆了长久以来一些关于不同动物如何发育的假说。目前还没有证据表明，存在某个控制分节时钟速度的主基因；相反，控制分节时钟速度的可能是不断变化的蛋白质降解速率。科学家们曾假定，所有动物体内的所有蛋白质降解速度是基本恒定的，目前的发现可能足以让他们修订一下分子生物学教材了。
细胞运行速度的区别甚至可以解释人类发育的独特之处，例如相较于其他物种，我们拥有硕大的头脑、延长的幼年期和漫长的寿命。
如果对分节时钟的研究结果是正确的，这一微小的、飞逝的计时器或许会揭示一些塑造所有生命的更深层生物化学规律。
海克尔和异时性
创造物种，速度是关键。进化并非通过额外增加颈椎来造就长颈鹿的长颈——长颈鹿和它脖子粗短的亲戚加狓拥有相同数量的颈椎。相反，长颈鹿的颈椎会花更长时间生长，从而能长更大。
这种躯体各部位发育速度的差异，被称为异时性（heterochrony），这个概念由德国动物学家海克尔（ErnstHaeckel）提出，他以研究胚胎发育闻名。现代发育生物学家认为异时性是一个关键概念，能帮助解答一个核心的谜题——在发育的最初期，所有脊椎动物的胚胎看起来大同小异，但随着胚胎发育，它们变得很好区分；人类胚胎细胞是如何发育成人类宝宝，而不是发育成黑猩猩幼崽或幼鱼的呢？
笼统而言，是因为躯体各部位的发育速度不同，深刻影响了动物的最终形态。但又是什么控制着发育速度呢?
和海克尔一样，现代生物学家也从椎骨等重复的体节入手，来研究发育速度如何塑造动物形态。几十年前，他们就开始研究胚胎发育时如何形成身体分节。
在发育过程中，胚胎的某处区室会分裂成从头至尾的重复节段，即体节。每个体节会发育成一节脊椎及其附属组织。
1976年，两位研究人员提出，这个区室里每个细胞可能都具有某种振荡机制（oscillatingmechanism），能够周期性地自动开启和关闭，从而控制体节的形成[1] 。 “一时间吸引了许多探索， ”哈佛医学院的发育生物学家OlivierPourquié说， “到了上世纪90年代末，我们找到了一个基因，在将要发育成体节的组织中表现出了节律行为（rhythmicbehaviour）。 ”