用系統科學原理試解最複雜生物學難題：受精卵如何發育成人？精選

用系統科學原理試解最複雜生物學難題：

受精卵如何發育成人？

蘇鎮培

本文結論若成立，將動搖分子生物學、基因測序和精準醫學的理論基礎。

一、最複雜生物學難題：受精卵如何發育成人？

貝塔朗菲在《生命問題――現代生物學思想評價》中說：「從一滴微小的、幾乎均一的原生質中產生出具有幾萬億個細胞、無數器官和功能的動物的奇妙結構。在神奇的胚胎髮育過程中，我們碰到一個重要問題，這個問題從古代起就一直成為有機生命理論和哲學的中心」。

邁爾在《生物學哲學》中說：「程序怎樣運行是生物學中最難於研究的一個方面。例如遺傳程序是怎樣轉譯成生長過程，轉譯成細胞、組織、器官的分化在目前是發育生物學中最棘手的問題」。

科恩在《基因的藝術》中說：「即使我們知道了這條極長的字母串以後。它也並不告訴我們，人是如何構建的。為了理解人等複雜生物體的繁殖過程，我們必須通過某種方式，把DNA序列與一個受精卵細胞發育成一個活人的過程聯繫起來」。

解決受精卵如何發育成人這一生物學難題，將有助於人們解釋生命過程中的許多生理、病理現象，尤其是對如何評價目前已成為生物醫學主流研究方向：試圖從基因-蛋白質組等微觀層次根本解決多種慢性非傳染性疾病、癌腫等病因和發病機制問題，如何正確認識和對待遺傳、生長、衰老、死亡等人生問題，均有決定性理論意義。

二、當前發育生物學解題路徑：從基因--遺傳程序入手

1.邁爾說：「一切生物都具有從歷史演變進化而產生的遺傳程序、編碼於細胞核中的

DNA(在某些病毒中編碼於RNA)。由於遺傳程序的存在便使生物具有由基因型和表現型組成的特殊兩重性。基因型(遺傳程序)是可以追溯到生命起源的歷史產物，它體現了過去一切祖先的「經驗」。基因型與環境互相作用控制著表現型的形成，表現型就是我們所見到和研究的生物有機體。每一遺傳程序是成千上萬不同基因的獨特組合。

高等生物所含有的性質各不相同的細胞數量幾乎肯定超過十億。儘管它們全部(或絕大部分)都具有相同的基因數量，但由於每個基因座位的阻遏與脫阻遏情況不同以及所處的細胞環境不同，因而彼此各異。為了給每一細胞譜系提供恰當的信息以便為之供應完成所指定任務所必需的各種分子類群，遺傳程序就必然是異常複雜的。」《生物學哲學》

2.遺傳程序--細胞分化--個體發育

當前發育生物學認為，個體發育的中心問題是細胞分化，一個受精卵如何通過一系列的細胞分裂和分化，產生各種形態和功能不同的細胞，這些細胞又如何通過細胞相互作用，共同構建組織和器官，建成新個體，是發育生物學需要繼續研究的主要任務。

目前分子生物學認為，細胞分化是基因差異性表達的結果，差異性基因表達產生的原因主要來自於兩方面：主要是基因的遺傳程序，引起胚胎細胞核基因的程序性差異表達。其次，是細胞外環境的影響。認為，任何生命現象都是遺傳信息按一定的時間、空間和一定的次序表達的結果，即按照發育的遺傳程序展開的結果。發育並不是個別基因的表達，而是眾多基因表達在時間和空間上的聯繫和配合。發育生物學的主要任務是研究生物體發育的遺傳程序及其調控機制。認為闡明發育機制的核心問題是認識遺傳信息以何種方式編碼在基因組上，DNA上的一維信息又如何控制生物體的三維形態結構的構建和控制生命現象的發展。

認為，基因表達網路決定細胞的功能及特性,破譯基因在人類胚胎髮育過程中時間和空間的表達特性,是了解早期發育過程至關重要的一步。

三、疑問

按理，遺傳程序不僅包括藍圖還應具有如何運用這藍圖的所有信息指令。但就像計算機程序，細胞核的DNA遺傳程序和執行機制是完全分離的。

程序怎樣運行是生物學中最難於研究的一個方面。誰是遺傳程序的執行者？協調者？是基因，蛋白質，細胞？只有建築藍圖，沒有工程師和工人，沒有工程機械和建築材料，大廈是建不起來的。基因只是遺傳程序的信息攜帶者，蛋白質有些是傳遞基因信息的信號因子，更多是構建生物結構的基本材料。細胞才是程序執行者。

超過100萬億以上的細胞分化（除紅細胞外，每個細胞都有一套全基因組），按基因-蛋白質信息傳遞至體細胞整合成各種不同組織，再構建成多個結構、功能不同的器官系統。指令如此複雜的分化、多級組合的並行有序過程，程序信息和控制信息全部預存在哪個細胞DNA上或所有細胞DNA上？信息又如何傳遞、指令不同細胞內複雜的物質、能量轉化過程，逐級構建起多層次的無比複雜的生命結構？總之，發育是無比複雜的動態過程，目前還缺乏準確和全面的認識。

四、基本概念：基因、蛋白質、細胞組織、器官系統

細胞是生命活動基本單位，人體大約由100萬億個細胞組成，細胞內有多種細胞器，通過膜系統相連。細胞核包含遺傳物質(DNA)，調製細胞功能，線粒體是產生能源的「動力工廠」，內質網和核糖體是蛋白質的「加工廠」。

基因是具有一定數目的鹼基的DNA分子片段。在DNA內只有4種鹼基。按照3個鹼基編碼一個氨基酸的「三連密碼子」，基因編碼蛋白質的氨基酸序列。

蛋白質組成的基本單位是氨基酸，不同的氨基酸靠共價鍵連成一條多肽鏈，多肽鏈相互摺疊成具有空間構象的高級結構，執行著不同的生理功能。

細胞約含10億個不同功能的蛋白質分子，有些是細胞骨架，有些具有酶活性等。細胞內蛋白質也不斷降解和合成。多種體細胞及其合成的細胞間質構成不同的組織。

器官由4種不同組織構成：上皮組織、結締組織、神經組織、肌肉組織。多個器官組成有重要特異生理功能的生理子系統（如神經、循環、呼吸、運動、免疫、消化、生殖系統等）。

五、出路：尋找解複雜難題的指導理論和方法

1.從系統整體出發

無論如何、我們被迫在知識的一切領域中運用『整體』或者『系統』來處理複雜性問題，這將是對科學思維的一個根本改造。

強調把生物作為一個整體或系統來考慮。

我們不僅必須考慮有機體的各個部分和個別過程，而且必須考慮它們共同的相互作用和支配這些相互作用的規律。

貝塔朗菲《一般系統論》

我們打過這樣的比方，DNA就像一盤上面存儲著磁信號的錄音帶。我們還需知道把信號轉換成樂曲的錄音機這個比方。但這裡有一個顯著的區別：一切表明，大自然以一種難以想像的巧妙方式變換著DNA信號，似乎只是規定了一樂曲的主題，而把詳細的安排託付給錄音機，也就是託付給生長中的有機體本身。但是這樣―來，DNA含有嚴格規定的信息程序這個主張就成問題了。DNA（或RNA)「再現」其主題，完全取決於環境。

赫爾曼?哈肯.《協同學――大自然構成的奧秘》

多細胞有機體的發育不是諸細胞活動的總和，而是胚胎作為一個整體的活動，無論單細胞階段還是多細胞階段，都是如此。這種整體的胚胎活動表現為調整、定型和形態發生活動。

在生物領域裡，由原初的整體分異為子系統。在胚胎髮育過程中可以發現這種情況。系統發育過程也是這樣。有機體的逐漸分化意味著最初在單細胞中聯合的生命功能，分異成為攝食、消化、對刺激的反應、生殖等獨立的系統。

貝塔朗菲.《生命問題――現代生物學思想評價》

為了生存和發展，任何具有生命力的系統都要根據環境的變化、自己內部的客觀實際和要求，不斷調整結構、功能，與環境進行信息、能量和物質交換。《系統哲學簡論》

2．從相互關聯分析入手

自然科學證實了黑格爾曾說過的話：相互作用是事物的真正的終極原因。……只有從這個普遍的相互作用出發，我們才能了解現實的因果關係。

恩格斯.自然辯證法.《馬克思恩格斯選集第三卷》.593頁北京.人民出版社1966.

幾乎其它一切生物學過程都涉及到相互之間的關係。這些現象在大多情況下只能定性地加以表示而不能是定量的。邁爾.《生物學思想發展的歷史》

探明物質、能量、信息三者的關係及其運動和變化規律，對於闡明生命的本質，無論從理論和實踐看，意義都是十分重要的。貝時璋.《生命世界的物理學》

3.從層次、突現（湧現）原理取得突破

生物科學的主要目標在於發現各層次組織的原理。貝塔朗菲《一般系統論》

要充分認識生命現象就必須對各個層次進行研究，然而正如前面所指出，較低層次

的研究發現對解決較高層次所提出的問題一般並沒有什麼幫助。

有機體的多數結構如果沒有機體其它部分的配合將毫無價值，毫不起作用：翼、腿、

頭、腎等只能作為整體的部分，否則便無法生存。因此，一切部分都有適應意義而且能

夠進行程序目的性活動。邁爾.《生物學思想發展的歷史》

當這樣的系統由其組成成分組合成整體時，整體就突然顯示出無法從其組成成分推

知的新性質。新性質的「突現」在非生物界雖然也很普遍，但是只有生物系統才在系統

的每一等級結構層次突然顯示戲劇性的新特性。邁爾.《生物學哲學》

在每一層次突現後，其組成成分在保留原有特性同時，獲得了新的系統的組分性。細胞分化過程，其實是組成胚胎整體的各種細胞分工過程。這是解開難題的突破口。

六、以現有研究成果為證據，分析-推論

人的發育過程：受精卵―細胞分裂、分化、組合--胚胎―胎兒

1.胚胎髮育過程：

通過與子宮（母體）緊密相連；快速（8周）重演億萬年進化歷程。

胚胎髮育關鍵---受精卵分裂，多細胞、組織層次、系統突現

受精卵（完整細胞）分裂成2個細胞即成為2細胞體，再分裂變成由4，8，16個細胞組成的多細胞整體（桑葚胚），開始突現組織―屬上皮組織的滋養外胚層，它產生細胞外液為內細胞群（成胚細胞）生存提供了內環境，並與內細胞群構成胚泡。滋養外胚層在受精後6―7天植入母體子宮粘膜逐漸發育成胎盤（為獲得營養和能量），內細胞群發育成胎兒。

上述過程說明，最早的遺傳信息傳遞是基於細胞分裂的。每個新細胞核都有一套繼承上一代細胞的全基因組。16個以上細胞組成的桑葚胚，有16套全基因組，是哪套細胞基因程序決定胚胎初步的細胞分化及組織形成？只能是組成桑葚胚整體的多細胞彼此的相互作用。

貝塔朗菲早就指出，「多細胞有機體的發育不是諸細胞活動的總和，而是胚胎作為一個整體的活動，無論單細胞階段還是多細胞階段，都是如此。這種整體的胚胎活動表現為調整、定型和形態發生活動」。系統科學原理指明，較高層次「突現」(emerge)出新性質和新機能，這些新性質和新機能只能由該層次的組成部分的作用與相互作用來說明。

胚胎髮育的真實過程證明，確是胚胎整體發育導致細胞分化。從受精卵到桑葚胚，經歷4-5天分裂、增殖，已經從單細胞體變成多細胞球體，為了使球體表面和中心的細胞都能獲得充足的營養，未分化狀態的桑葚胚突現為胚泡（包括滋養外胚層―滋養細胞組成的上皮組織和內細胞群）。胚泡粘著在母體子宮內膜上，並逐漸進入內膜，這一過程稱為植入。但只有在黃體分泌的黃體激素和雌激素調控下，進入分泌期的子宮內膜，才容許胚泡植入。

胚泡再突現為3胚層組織的胚胎。胚胎內不同胚層細胞、相互作用，再依次分化突現為多種組織細胞，經過複雜的細胞分離、遷移、組合、凋亡過程構建起組織、器官、系統和個體等複雜層次結構。這種不同細胞與組織間的相互作用，傳統組織胚胎學稱為組織誘導，指兩種不同的胚胎組織或原基之間的相互作用並引起形態分化的生物學過程，通常是一種組織誘導另一種組織，多種組織參與相應的器官發生。誘導信號由一種組織分泌的分子通過細胞外基質傳遞，被另一種組織接受；也可以是兩種胚胎原基之間的直接接觸。脊索和軸旁組織誘導神經管形成。眼的發生至少需要8個方面的誘導過程。器官的上皮組織與結締組織的間質之間的相互誘導作用可見於絕大多數器官的發生中。

滋養外胚層逐漸發育成胎盤。其絨毛膜的三層結構(細胞滋養層、合體滋養層和胚外中胚層)都侵入子宮內膜而形成指狀絨毛，合體滋養層與母體血液直接接觸。胚外中胚層形成居絨毛中央的結締組織和血管。細胞滋養層於妊娠中期逐漸消失，從而使母體―胎兒血屏障變薄。合體滋養層可利用來自母體和胎兒的前體物合成多種激素。蛋白性激素包括人絨毛膜促性腺素、人胎盤促乳素、人絨毛膜促甲狀腺素和人絨毛膜促腎上腺皮質素。人絨毛膜促性腺素可通過維持黃體的存在而阻止流產。胎盤固醇類激素有孕激素和雌激素，可與黃體一起維持後期的妊娠。通過胎盤胚胎與子宮真正組成了胚胎-子宮複合體。

胚胎髮育不同階段還形成一系列中間過渡型的細胞組織甚至器官，它們又在發育過程中先後消失：如滋養細胞、胚胎期的間充質（其特點是細胞呈分枝狀，周圍有豐富的無定形細胞間質，細胞核為卵圓形，核仁明顯，染色質纖細。間充質來自中胚層，分布在整個胚胎中，圍繞著發育的器官並伸入器官內。間充質除了產生各種結締組織，還能發育成另外一些類型的組織：肌肉、血管、上皮和某些腺體）、鰓弓、體節、指蹼、尾巴、臍帶與胎盤、動脈導管等。

發育快速重演億萬年生物進化過程（單細胞-多細胞-腔腸-無脊椎-脊椎動物形態）的事實，反映發育必須經過基因-蛋白質-細胞-組織-器官-生理系統等多個階段，經歷逐級、多層次、複雜的部分與整體的相互作用，不斷的形成與捨棄，與會onr的相互作用過程的膠瞟促腎上腺皮質激括人絨毛膜促性腺激才能摸索尋優、突現，構建成有複雜生理功能的器官系統結構和複雜生命功能的胚胎-胎兒。其重要前提是有高度穩定的發育環境，通過胎盤―子宮―母體，保證與成長中的胚胎-胎兒的物質、能量、信息（母體激素）的充分交換。

受精卵核DNA攜帶的遺傳程序決定其核基因表達，但分裂為多個細胞後，只能是，細胞間相互關聯、胚胎-子宮複合體的整體信息決定了其後不同細胞內不同基因表達，導致細胞分化為各種組織細胞。

胚胎對細胞分化的作用，其實就是指導所有組成細胞的相互作用，即細胞如何分化、遷移、組合、凋亡，按組成不同階段胚胎整體的要求相互影響、權衡、選擇、取捨。這時胚胎-子宮複合體的整體系統信息作用於細胞起決定分化方向作用，細胞內遺傳信息指導細胞製造特異蛋白質（結構蛋白質和調控蛋白質），對分化起具體執行作用。

細胞分化從全能細胞--多潛能細胞--分化細胞的發展過程，就是從單細胞、多細胞向完整胚胎髮育過程（重演生物進化）。分化細胞群相互作用成為新層次，就突現層次整體新特性。多層次組成個體，就突現個體的系統整體特性。此時的體細胞變成整體的零件，其核基因組無必要保留全能性，只保留編碼分化細胞特異蛋白質的專能性。同時核基因組變成為細胞的備用基因存貯器。只有生殖細胞核基因組仍保留全能性。

經過許多輪細胞分裂、分化、組合、突現多層次，受精卵長成一個胎兒--由數十萬億個體細胞、多種組織、器官、生理系統構成的新生命體。所有這一切都依賴於受精卵-胚胎-子宮複合體整體信息指導下，在細胞新陳代謝基礎上，經歷分裂分化、組合、突現，產生新層次、新結構，服務於整體的新功能。

2.發育不同時期基因-細胞作用

1-56天基因程序性表達遺傳信息（同源異形基因起重要作用）。發育過程大都集中在這早期階段，此時個體的所有組成部分均已成形。快速構建完成器官系統組織層次結構。56天-出生，胎兒進一步發育成熟。孩子出生時，全部主要的肢體和器官已在正確的位置，其基本形態在以後生命的各階段保持不變。體細胞基因只在細胞範圍內編碼特異蛋白質，使體細胞保持各自的組織特性。而遺傳程序只保存在生殖細胞中。

出生後新生兒-成人，屬個體生命的生長成熟期，通過神經-內分泌系統整體調控各層次組織結構，完善各器官、系統功能。100萬億個體細胞核按系統整體（神經-內分泌）及局部組織調控信息，各自通過激活核內特定基因，指令細胞器編碼製造特異蛋白質，維持、複製或更替各自細胞功能。

結論：

1.生命系統是物質、能量和信息的綜合體。在遺傳信息的指導下，物質與能量的流動、轉

化，才能構成有複雜組織結構的生命體。遺傳發育的中心機制是生殖細胞（受精卵）-個體關聯，而不單是基因組遺傳程序。

個體所有細胞都是從受精卵複製、分裂而來的。受精卵核DNA，攜帶著雙親歷代的遺傳信息，但受精卵的胞膜、胞質及線粒體等細胞器都直接來自母體；複製、分裂不單把核

基因遺傳信息以及其他表觀遺傳信息直接傳遞至每個細胞，而且，也把受精卵的胞膜、胞質、線粒體及利用物質、能量製造生物物質和構建細胞的細胞器與方法都複製給子代細胞。在母體子宮特定環境內，受精卵才能發育成延續上代生命特性的新個體。這是個體生命通過生殖細胞與新生命個體關聯的全遺傳過程。受精卵整體才是新生命的開始，其分裂不僅傳遞遺傳信息，也直接傳遞構建細胞的設備與方法。目前分子遺傳學只強調在基因組裡有編碼生物體整個發育過程的遺傳程序（近年，提出還有非核基因依賴的表觀遺傳信息），認為它們決定了新生命體的結構功能和一切性狀。其實這是只知信息，不知遺傳信息必須與物質、能量相結合，才能成為生命體。

2.分子遺傳學的核心概念---遺傳程序概念，只有中心法則下的基因（遺傳信息）RNA轉錄

---蛋白質的翻譯表達，加上近年的表觀遺傳學的實驗和理論根據，而對細胞內蛋白質如何構建生命體的不同細胞、組織、器官、系統及整體複雜的層次結構，表現複雜的功能、行為並無充分的實驗根據和科學的理論支撐。

其實，基因只是細胞內遺傳信息的攜帶者，不是遺傳程序的執行者。受精卵-胚胎整體才是遺傳程序的執行者。蛋白質的變化控制發育分化中細胞的特性；基因編碼蛋白質，但激活什麼基因、編碼製造那種蛋白質、如何製造是由細胞獲得的胚胎整體（系統）信號（激素、生長因子等）決定的。受精卵分裂、分化為眾多細胞後，在還沒有建立整體信息-調控系統的現實下，只能通過細胞之間相互作用的層次突現機制，逐級形成組織、器官、系統等新層次、新結構直到構建成新生命，突現複雜的整體功能。

除從受精卵DNA獲得遺傳程序（信息）和胚胎整體與組成的細胞、組織相互關聯信息外，維持所有細胞新陳代謝的物質、能量都要通過胎盤-子宮，從母體的血循環中獲得。在母體和胚胎神經-激素調控下，相對穩定的子宮環境中，胚胎的整體生命才能構建形成並繼續發育直到出生。

3.有三種細胞：①生殖細胞-受精卵（全能細胞）：染色體或全基因組DNA是個體-種族生

命遺傳信息的載體，主要功能一是傳遞、啟動不斷的細胞分裂和分化，經形成組織、器官、生理系統等多層次而發育成新的個體-胎兒；二是經過轉錄和翻譯指導合成發育為新個體所需的各種蛋白質。②幹細胞（多潛能細胞）：仍保留分化為多種組織的功能，是胚胎髮育中間過程的過渡細胞類型。③體細胞（分化或專能細胞）：保留細胞分裂、更新功能，失去轉化為其他細胞功能（也就失去了遺傳功能）；保留指導製造組織細胞特異蛋白質功能，失去製造全能細胞的其他蛋白質的功能。

4.受精卵攜帶全基因組遺傳信息。胎兒娩出意味著遺傳程序表達階段完成！新生命系統

已經建立，從新生兒開始的新個體的整體結構、功能、行為的調節控制中心是腦神經-內分泌系統，而不可能再是分散在100萬億體細胞中的基因組或全身的蛋白質組。新個體的遺傳程序只保存於生殖細胞中。出生後生理情況下，體細胞基因組只對細胞-組織，而不可能對器官、系統、個體等高層次的結構、功能、行為起重要調控作用！更不可能是個體思維、智能等高級精神活動和智力高低的決定因素，否則，腦神經-內分泌系統強大的調控能力、大腦無限的創造力就無用武之地！反之，有力證明：基因檢測（除少數單基因遺傳病外）、基因治療對出生後人體的疾病評估、診治並無太大作用。

5.胚胎髮育的驅動力生物最重要的整體功能是適應環境而生存（適者生存）。生存壓力

是生物群體的進化動力，也是生物個體發育的動力。適者生存―為獲得整體生存，各細胞、組織、器官、子系統都在整體調控下，關聯、突現、活動。發育過程中，從受精卵的基因表達、蛋白質製造到胚胎細胞分化，組織、器官、生理子系統的逐漸形成胎兒，所有的整合和協調活動都是為了組織構建優化而複雜的整體生命（適應性導致複雜性），以獲得在各種環境中更好的生存。這就是遺傳的目的性。

6.由遺傳決定的個體-種族生命的持續，就體現在：受精卵―個體―受精卵的世代輪替。

因為物理學原理和幾十億年的生物史早已證明，組成生物實體的絕大多數物質、能量結構最終都要消亡、所有生命個體都要死亡，只有遺傳信息和構建的新生命，通過受精卵（也是生命整體，不單是基因！）可以代代相存，生生不息！這是生物幾十億年尋優、進化獲得的、唯一可行的長生不老方法。

7.脫離細胞整體單研究基因、蛋白質、代謝等低層次或跨越細胞、組織、器官、生理系

統和整體等層次試圖確定基因與個體複雜性狀或複雜疾病（如癌症、心腦血管病、糖尿病）的因果關係，如目前許多基因組、蛋白質組、代謝組和相關的精準醫學研究，都屬於片面的、跨層次的、簡化論的，不符合生理實際、違反系統科學整體原理的研究，是生物醫學研究大方向的迷失和對廣大研究人員和醫生的誤導。

主要參考文獻

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（http://bbs.sciencenet.cn/blog-814-399838.html）

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