撰文 Tim Vernimmen 编译 赖博

2009年，美国南卡罗来纳大学发育生物学家Ann Ramsdell被确诊为乳腺癌Ⅲ期。为了了解是否有病情相同的患者从该疾病中痊愈，她开始广泛查阅科学文献。她很快就发现了一种奇怪的现象——分别在左侧乳腺和右侧乳腺患癌的女性，最终痊愈的概率有所不同。更令人吃惊的是，她还发现曾有研究提出：左右侧乳腺组织原本就不对称的女性，比其他个体更可能患上乳腺癌。

从表面上看，我们身体非常对称。但是在皮肤之下，不对称的生理结构比比皆是：比如我们腹腔里那九曲十八弯的消化道，或者肝脏、胰脏这类不成对的器官。我们最熟悉的不对称器官，是向左偏的心脏——它原本是由两个完全相同的结构融合在一起而形成的，但在发育过程中，它逐渐把自己扭曲成了一个左右不对称的泵。在区区一个心跳之间，这个不对称的泵会把充满氧气的血液送向我们的全身，同时还从肺部更换了新鲜的氧气。

▲除了更常见的内脏器官不对称外，许多生物还呈现出外观的不对称性。1.弯嘴鸻向右弯曲的喙可以捕捉到河床圆石下的幼虫；2.不同的藤蔓类植物在攀爬过程中都有特定的旋转方向；3.雄性招潮蟹的一对螯大小总是不同，它通过挥舞较大的那只螯来吸引伴侣；4.腹足纲软体动物的外壳也有各自特定的旋转方向；5.鲽亚目的比目鱼中，鲆鱼的两眼都位于身体左侧，而鲽鱼的两眼都位于身体右侧；6.雄性独角鲸的左侧犬齿会特化为螺旋状的“长枪”（图片来源：视觉中国）

生物体的“左右偏见”

天然的不对称性对于我们的生存和健康其实至关重要。Ramsdell明白，这种重要性常常被忽视了。就连她本人在刚刚开始从事科学研究的时候，也并没有对生物体的不对称性有所关注。但是在她进行论文答辩的时候，一张从别的科学家那里借来的幻灯片(她答辩的时代还没有PowerPoint)改变了她对此奇异现象的态度。

那是一张鸡胚的图片——图上的鸡胚所处的发育阶段，正好是心脏开始向一侧扭转的时候。答辩后她的一个同事问她：为什么要把这张幻灯片反过来放?“这太尴尬了”，她说，“我之前根本没想到心脏扭转是有方向的。”鸡的心脏和我们人类的一样，也能够区别左和右。于是在博士后期间，Ramsdell开始研究为什么许多动物的心脏都会向一个特定的侧转向。

数年之后，Ramsdell从癌症中痊愈。她随即决定放弃研究心脏不对称，转而探索哺乳动物乳腺的不对称性。她发现，有袋类动物(比如袋鼠)的左右侧乳腺会产出不同类型的乳汁——而不同的乳汁则恰好适合不同年龄阶段的幼崽。她马上对小鼠的乳腺进行了相似的研究，结果却让人失望：小鼠的左右侧乳腺似乎没有什么显著区别。

Ramsdell随后再次改变研究角度，从不同乳腺细胞内活跃的基因和蛋白质入手，而这次总算有了收获——她发现，较易罹患癌症的左侧乳腺，也倾向于携带更多的“非特化细胞”。非特化的细胞更易对被损伤的组织进行修复，但由于其分裂的倾向高于普通细胞，它们也更易形成肿瘤。

不过迄今为止，Ramsdell还不知道为什么这类细胞在左侧乳腺中更加常见。“我们认为，这和细胞发育时所处的特殊胚胎环境有关——胚胎左右两侧的环境有着非常大的区别。”她和一群发育生物学研究者目前已经渐渐明白，有哪些因素决定了生物体的“左右偏见”。

细胞纤毛影响器官对称性?

上世纪90年代，有一群科学家致力于研究处于发育中的胚胎内不同基因的活跃情况，他们发现了令人惊奇的事实：在他们检测过的每一个脊椎动物胚胎中，都有一个名叫Nodal的基因活跃在胚胎的左侧。伴随Nodal出现的，是它的下游基因Lefty，这个基因的生理功能，则是抑制Nodal在胚胎右侧的活动。哈佛大学的进化生物学家Cliff Tabin认为，这个“Nodal-Lefty”基因组合，可能是引导发育不对称的最主要基因通路。在Nodal和Lefty基因的最初研究阶段，他做出了重要的贡献。

然而，是什么让Nodal和Lefty在胚胎中出现呢?日本发育生物学家广川信隆提出了十分巧妙、很有说服力的解释：大多数脊椎动物的胚胎在发育之初，都是圆盘形的。在这个圆盘的底部一侧，有一个小小的凹陷，凹陷的内表面覆盖着纤毛——这些纤毛可以在环境液体中摆动，从而在周围液体中产生了向左的电流。2002年的一项研究证实，只要改变液体流向就可以改变Nodal基因在细胞中的表达。

人们很早就发现，器官错位常和纤毛异常这两种疾病一起出现。比如，Kartagener综合征患者体内的纤毛难以活动，这导致了支气管的扩张，所以他们常常会感到呼吸困难。同时，有半数Kartagener综合征患者体内器官的对称性与常人是相反的——他们就是所谓的“镜面人”(占总人群的0.01%)。直到21世纪初，研究者才发现患有Kartagener综合征的患者，细胞内的若干蛋白质存在缺陷，这些蛋白质的作用是驱动细胞内结构的运动，其中也包括纤毛的运动。

然而，纤毛并不是导致生物体不对称发育的唯一原因。很多动物(甚至包括一些哺乳动物)的胚胎，都没有那个布满纤毛的凹陷，也没有Nodal基因。

细胞也有左右偏好

“实际上，细胞本身也具有一定的偏向性”，伦斯勒理工学院的生物医学工程师Leo Wan说道。“当它们撞上一个障碍物时，特定类型的细胞会选择向左转弯，而另一些则向右。”

Wan在一只特制的圆盘上进行了他的这一试验，这个盘子上有两个同心的环形凸起。“我们会把用于实验的细胞放置在两个凸起的棱中间，然后观察它们如何移动”，他说道。“当它们撞上某个棱的时候，我们可以在显微镜下清楚地看到它们偏好的转弯方向是哪边。”

Wan认为，细胞的偏好取决于细胞骨架的两个成分“肌动蛋白”和“肌球蛋白”之间的相互作用。肌动蛋白可以在细胞中组装成网络结构。而肌球蛋白可以在网络上移动，移动的过程中通常还会拖拽上其他的细胞组分。生物学家十分熟悉这两种蛋白，因为它们在肌肉细胞中非常活跃，对于肌细胞收缩功能非常关键。

大阪大学的分子生物学家松野健治已经发现了一系列可能对不对称发育具有重大影响的蛋白质，统称“特殊肌球蛋白”。他也认同一个观点，即细胞中的肌动蛋白可能导致细胞具有偏向性。松野健治所研究的果蝇，其胚胎既没有覆盖纤毛的凹口，也不含Nodal基因，但是它也发育出了不对称的后肠。松野的团队已经证明，果蝇后肠细胞的偏向性取决于细胞内的肌动蛋白——细胞个体的偏向，影响了整个后肠结构的发育。对此松野解释道：“细胞的偏向性不仅限定了个体细胞移动的方向，同样还影响了它们彼此结合的方式——这些细胞结合在一起共同形成了后肠。”

除了果蝇之外，脊椎动物的不对称发育也不一定非要有Nodal基因的参与。在2013年发表于 《自然·通讯》的一项研究中，荷兰Hubrecht研究所的生物学家Jeroen Bakkers描述了在移除Nodal基因的情况下，斑马鱼的心脏是会向右侧弯曲的。

不仅如此，即便心脏被移出斑马鱼体外、存放在实验室培养皿中，它仍然能够向右弯曲。“话虽如此”，Bakkers解释道，“在这些没有Nodal基因的动物体内，心脏既不会向左移动，也不会弯曲成正确的形状。尽管斑马鱼的身体仍然自发形成一些不对称的结构，但是正确的细胞不对称,确实需要Nodal基因的帮助。”

对于Tabin来说，这样的实验说明：尽管Nodal基因可能不是导致不对称发育的唯一因素，但它仍然是最重要的那个。他说：“从进化的角度来看，打破对称性其实也并非难事——生物体可以通过各种途径打破对称性，不同的生物体通过不同的方式，但它们都做到了。”进化需要解决的关键问题，其实是如何让新形成的不对称性变得可靠而且稳固，他说，“Lefty和Nodal这种双保险组合，就是为了保证不对称性的稳定。”

(原文来自《Quanta Magazine》)