細胞羅盤

生物體的建造不是件容易的事，不論是魚、青蛙還是人，都是從單一個細胞開始，克服重重險阻，最後形成高度組織化且複雜無比的生物。受精卵一分為二，再一路往下分裂為4、8、16，在短短幾星期內就形成數以萬計的細胞。此時，原始的球狀細胞群重新組合成長形，且一端變圓、變厚，同時還形成一條淺溝縱貫其中。沒多久，一齣細胞芭蕾舞劇驚豔登場：淺溝變深，溝壁細胞彼此靠近，最終貼在一起，形成一條長形的中空管道。膨脹突起的一端最後形成腦，另一端則為脊髓。

要進行如此精確的組裝，胚胎各個細胞必須能夠感知彼此間的相對位置。每個細胞都需要知道生物體的上下前後各方位，也需要弄清楚朝哪個方向移動是靠近抑或遠離身體。過去幾十年來，我們和其他發育生物學家一直試著了解細胞的這種定向系統如何運作。在這個大題目之下展開的研究，讓我們發現了某種包含若干蛋白質的關鍵組成，可在每個細胞內充當迷你羅盤；沒有這個羅盤，心臟、肺臟、皮膚以及其他器官都將不能正常發育。以人類為例，如果這些蛋白質當中有任一個受基因突變影響生成，就會造成嚴重的先天缺陷。

雖然科學家對於這個定向系統的運作方式還有許多未知之處，但現階段的成果已經讓我們對放諸全動物界皆準的基本發育過程有了新的認識。目前我們知道最多的，是這種羅盤在表皮細胞中的運作方式。一般來說，表皮細胞就像人行道上的石磚一樣，一層層覆蓋在組織表面，每層只有一個細胞的厚度。如果棉質床單是由表皮細胞組成，那我們發現的蛋白質將使得床單中的每個細胞都能感知床單哪側較靠近床頭、哪側又較靠近床尾。

由這種帶有定向功能的細胞組成的生物，在演化上具有特定優勢：其複雜的組織不再需要在每個方位都形成對稱；不同的部位可以各自分化。例如位於內耳螺旋狀耳蝸管一端的髮狀纖毛可辨識高頻聲響，而位於另一端的則可辨識低頻聲響。科學家把此組織層的不對稱性稱做「平面極性」（planar polarity），意即從組織平面可以看出相對的兩極。

一旦動物發明了有用的工具，就會把持不放。一如攜帶調節蛋白質編碼的基因，負責平面極性蛋白質的基因在演化關係遙遠的物種之間也非常類似，例如哺乳類體內的版本就與昆蟲體內的相當接近。這些基因十分古老，早在約莫五億年前動物界興起時就已演化出來，這一點也不讓人意外。