Evo-devo基本概念及原理讨论【第2期】——演化负荷与发育约束
演化发育生物学中负荷的概念
探索发育与演化之间的相互作用是演化发育生物学（evo-devo）的核心任务之一。历史上，普遍的观点认为，发育是演化的产物，受到自然选择等演化力量的塑造。然而，随着领域的发展，学者们逐渐意识到，发育不仅是演化的结果，它还能够反作用于演化，影响物种的适应性。这一观点在生物学史上颇具争议，但已经成为当前研究的核心问题之一：发育的动态过程如何影响并引导演化？
为了解答这一问题，演化发育生物学提出了多个理论框架来解释发育对演化的限制性影响。这些框架被统称为“约束（constraint）”，而“负荷（burden）”是其中的一个关键概念。负荷解释了物种在演化过程中为何受到发育约束，以及哪些特征更容易发生变化。
“负荷”这一概念并非凭空而来，其形成受到了多个经典理论的启发。例如，恩斯特·海克尔（Ernest Haeckel）的生物遗传学原则、加文·德·比尔（Gavin de Beer）的异时性理论，以及斯蒂芬·J·古尔德（Stephen J. Gould）及相关学者（包括佩雷·阿尔贝尔奇、约翰·梅纳德-史密斯及1981年著名的达勒姆会议的几位奠基人）提出的发育约束思想等，均对发育约束和负荷的研究起到了奠基作用。这些理论为“负荷”概念的形成提供了坚实的理论基础，揭示了发育与演化之间的约束性相互作用，并推动其成为当代演化发育生物学的核心议题。
在进一步探讨“负荷”概念之前，有必要了解与其密切相关的“躯体架构”（body plan, bauplan）。作为一种基础结构蓝图，躯体架构是某一演化类群的物种在发育过程中共同拥有的核心特征。它不仅决定了物种形态的基本框架，也为研究发育与演化的约束机制提供了重要视角。“躯体架构”一词最早由约瑟夫·亨利·伍德格（Joseph Henry Woodger）于1945年提出，用以描述系统发育相关物种在发育过程中表现出的稳定特征。例如，脊椎动物的脊柱是躯体架构的典型代表，它沿着身体的轴线排列，支撑其他器官和结构，同时在不同物种之间表现出高度的一致性。这种一致性在欧文（Owen）的脊椎动物“原型骨骼图”（图1）中得到了生动的呈现。欧文指出，脊椎动物的骨骼可以被概括为一系列相似的部分，这些部分以固定的数量和排列方式沿身体轴线分布。这一观察为躯体架构的普遍性提供了直观的例证。
图1、欧文的脊椎动物原型骨骼图
(Owen, R. 1866. On the anatomy of vertebrates. Vol I: Fishes and reptiles.)
然而，尽管存在这样的相似性，不同物种的形态在演化过程中依旧会表现出显著的差异性。这引发了一个关键的问题：为什么某些形态特征在演化中能够保持高度稳定，而另一些特征却表现出显著的变化？
这种稳定与变化的矛盾，是发育和演化相互作用的核心表现。事实上，躯体架构的形态特征不仅仅反映在成体的外部结构上，更深刻的体现在动物个体的发育过程中。许多物种在胚胎发育阶段经历了相似的发育轨迹和基因调控模式，显示出深层的共性，这种共性并非随机现象，而是受到系统发育关系的严格约束，使得类似的身体结构和功能在不同物种中保持了较高的保守性。
为了解释这些特征的稳定性与变化性，奥地利形态学家鲁珀特·里德尔（Rupert Riedl）在其著作《生物体中的秩序》（Order in Living Organisms，1978年）中首次提出了“负荷”这一概念。本质上，里德尔的负荷概念尝试解释体型规划的起源和维持。换句话说，生物群体如何获得一组特征，以及它们如何在自然选择的强烈变化趋势下保持这些特征。起源的问题很难直接回答，但维持的问题是可以回答的。他指出，体型规划中的某些特征之所以能够长期保持稳定，是因为它们受到多重发育约束，这些约束或生物负荷的来源有两种形式：
胚胎发育的普遍性：在早期发育阶段，不同物种的胚胎表现出高度相似性，这种普遍性使这些特征难以在演化过程中发生显著变化。
特征间的相互依赖性：某些核心特征在功能和发育过程中与其他系统紧密关联。例如，脊柱不仅支撑身体，还与神经和肌肉系统相互作用。这种依赖性使得这些特征的变化可能引发连锁反应，进一步增加了它们的“负荷”。相比之下，那些功能较为独立、复杂性较低的特征，则承受了较轻的“负荷”。例如，皮肤颜色或体表纹理不需要与其他器官系统协调，因此更容易受到自然选择的作用而快速变化。
图2、Rupert Riedl（左）及其著作《Order in Living Organisms》（右）
在理解了来源后，一个关键问题随之而来：负荷如何决定特征在演化中的变化可能性？从上述分析可以看出，负荷是由胚胎发育的普遍性和特征间的相互依赖性共同塑造的。这两个因素在演化过程中共同决定了特征的稳定性和变异性。接下来的部分将展开探讨胚胎发育的普遍性的价值，以及进一步分析特征间的相互依赖性的重要性。
胚胎发育的普遍性
首先，胚胎发育的普遍性为负荷的形成提供了重要的解释框架。根据冯·贝尔的胚胎学法则，不同物种在胚胎早期阶段表现出高度相似性。这些共性表明，较为一般的特征比专门化的特征在发育过程中更早出现，也更受系统发育约束。例如，在原肠胚形成阶段（图3），许多物种共享相似的细胞运动模式，这些模式反映了它们的共同祖先及其演化历史。
图3 原肠胚形成过程中的细胞运动类型
（任何特定生物体的原肠胚形成都是这些运动的集合）
(Gilbert, S. F. 2000. Developmental Biology. 6th ed. )
为了更好地理解胚胎发育中的相似性如何逐渐转化为演化中的差异，发育沙漏模型（developmental hourglass model）提供了一个形象且有效的理论框架。沙漏模型描述了胚胎发育过程中，物种间的形态相似性如何随着发育时间逐渐分化。发育早期和晚期的阶段具有较高的灵活性，而中间的种系特征性发育阶段（phylotypic stage）则表现出高度保守性，形成沙漏的“瓶颈”。
图4、发育沙漏模型
(Irie, N. & Kuratani, S. 2014. Development.)
(A)发育沙漏模型预测，胚胎发育中期器官发生阶段（种系特征发育阶段）是保守性最高的时期，并且是门级别躯体架构的关键建成节点。(B) 沙漏状的发育差异被认为与Hox基因簇的时空共线性有关，以及种系特征性发育阶段存在高度相互依赖的分子网络。(C) 五种脊椎动物对应的胚胎发育中期，小鼠（Mus musculus）的胚胎第9天，斑马鱼（Danio rerio）的受精后24小时，鸡（Gallus gallus）的Hamburger Hamilton第16阶段[HH16]，非洲爪蟾（Xenopus laevis，X. laevis）的第28-31阶段，以及中华鳖（Pelodiscus sinensis）的Tokit和Kuratani第11阶段[TK11]），这一对应关系通过跨物种的整体胚胎基因表达模式相似性确定。
早期阶段（沙漏的下部）：胚胎具有高度的发育灵活性，允许生物沿着不同的路径适应环境并演化出多样性。
中间阶段（沙漏的瓶颈）：物种在此阶段高度相似，因为这一阶段涉及关键器官的形成。这一阶段也被称为种系特征性发育阶段（phylotypic stage），多效性效应（pleiotropy）在这里起重要作用：单一基因通常同时调控多个发育过程，其变异可能同时影响多个系统，导致一系列连锁反应。这种复杂的分子网络使关键器官的发育变异受到严格限制，从而确保了这一阶段的高度保守性。
晚期阶段（沙漏的上部）：胚胎逐渐表现出物种特有的特征，形态开始分化，为适应性演化提供了基础。
沙漏模型的种系特征性发育阶段的高度保守性得到了基因调控研究的验证。研究发现，果蝇胚胎发育中的增强子（基因调控区域）在这一阶段表现出显著的活跃性（图5）。这种现象表明，种系特征性阶段的基因调控网络是限制形态变异的核心机制，进一步支持了沙漏模型的假设。
图5、胚胎发育过程中调控元件的演化
(Liu et al., 2021, Genome Res.)
(A) 在果蝇（Drosophila melanogaster）和拟果蝇（Drosophila virilis）中分别对两个匹配的胚胎发育晚期阶段（TP4和TP5）进行了DNase-seq，并将其与之前在两种物种中获得的DNase I高敏感位点（DNase I Hypersensitive Site, DHS）数据（TP1–3）结合起来。五个胚胎发育阶段的相应时间点（TP1、TP2、TP3、TP4和TP5）显示在发育轴上，不同颜色的条形表示采样的不同时间点。发育轴以产卵后（After Egg Laying, AEL）的小时为单位进行缩放。(B)每个物种在五个胚胎发育阶段中推测的增强子数量。
总结来说，尽管物种在胚胎发育的早期阶段表现出高度的相似性，但发育机制允许它们在后期沿着不同的路径发育。早期的相似性为发育提供了稳定的基础，而后期的多样性则是适应性演化的关键机制之一。通过理解这种相似性与多样性之间的动态平衡，我们可以更好地认识在演化过程中，负荷如何通过发育约束影响了物种的演化路径。
特征间的相互依赖性
除了胚胎学的普遍性，负荷的另一个重要来源是特征间的相互依赖性。这种依赖性反映了生物体内部各部分在发育和功能上的复杂互动关系。里德尔指出，当一个特征与其他特征或系统紧密相连时，其变异可能会引发连锁反应，从而影响其他结构或功能的正常运作。这种连锁反应显著增加了该特征的“演化负荷”，使其难以在自然选择的压力下发生显著改变。
这种相互依赖性在生物体的整合性结构中尤为突出。例如，在脊椎动物的头骨演化中，颅骨的不同部分需要同时适应保护脑部、支撑感官和连接颌骨的功能，每一部分的改变都需要其他部分相应调整，极大限制了头骨结构的变化空间。负荷概念可以被理解为对这种相互依赖性的度量：随着演化的推进，某个特征（如图6中的特征1）会与新特征建立更多的依赖关系，负荷增加，以至于任何改变都会产生重大后果，最终形成不可或缺的体型规划部分，但同时也丧失了进一步演化的灵活性。
图6、通过增加负荷形成躯体架构的示意图
(Nuño de la Rosa & Müller, 2021, Evolutionary Developmental Biology)
总的来说，负荷与演化潜力之间的关系可以概括为：依赖性越强，负荷越重，演化潜力越低。高负荷特征因其复杂的相互依赖性，在演化中表现出保守性；而低负荷特征更易适应环境变化，推动生物多样性。这种特征间的动态平衡揭示了发育与演化之间复杂的相互作用，负荷概念深入阐明了发育与演化如何通过胚胎发育的普遍性和特征间的相互依赖性从而限制了特征的变化潜力。那么在更广阔的宏观演化视角，发育约束（Developmental constraints）又是在如何发挥作用呢？
从宏观演化视角看动物发育约束
在自然界的漫长演化过程中，生物的多样性得以不断丰富，但这种变化并非没有限制。动物的发育过程，在基因、细胞和器官的层面上存在一种被称为“发育约束”的机制。这种约束决定了哪些性状可以变异，哪些性状受限，深刻影响了生命的演化进程。
什么是发育约束？
发育约束是指由于发育机制的复杂性，生物体的某些性状无法随意改变。它们可能表现为某些阶段的高度保守性，例如胚胎发育的“种系特征性发育阶段”，在这一阶段，所有脊椎动物的胚胎形态非常相似。这样的现象由复杂的基因网络互动和高度整合的发育过程决定，这种互动越多，性状变化的可能性越小。
发育约束在微观与宏观演化中的差异
演化大体能够分为两类：微观演化（Microevolution）、宏观演化（Macroevolution）。
微观演化指的是种群动态时间尺度上的基因频率变化；宏观演化是指在较长时间尺度上发生的显著的生物变化，通常涉及新的物种的形成（物种形成）、大量物种的灭绝，以及生物体的重大结构或功能创新。与微观演化相比，宏观演化涉及更广泛的遗传变化和生态适应。
在短时间尺度的微观演化中，遗传约束起到了显著的限制作用。遗传约束指的是生物的各种性状组合所能构成的特征空间范围。某些性状组合的变异程度越小，则意味着遗传约束带来的限制越大。这在微观演化过程中起到了关键作用。例如，鱼类可以通过改变鳍的形状和大小适应不同环境，但鳍的位置和数量难以突破。
然而，在较长时间尺度上的宏观演化中，生物的特征空间总是发生质变，即物种的表型特征及其可能性范围发生了质的扩展或重组。例如完全新结构的出现或旧结构的新功能拓展。这种转变超越了微观演化中的约束，使生物体能够进行创新。比如，从鱼类鳍状肢到四足动物四肢的演化是一个经典的宏观生物创新案例，这一创新打破了鱼类鳍状肢的遗传约束，开辟了全新的特征空间，使得脊椎动物能够适应陆地环境，并推动了两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的进一步多样化演化。
这样的特征空间质变可以从突变效应和适应度景观的变化来解释。
突变效应是指基因突变对性状或表型的影响。在微观演化中，突变的影响通常较小，往往表现为性状的细微调整，这种变化受到遗传共变的限制。然而，在宏观演化中，某些关键突变（如调控基因的突变或基因组重组）可能打破这些限制，带来显著的表型创新。
适应度景观，在演化生物学中用于可视化基因型环境适应度的关系，可以将其想象成一幅三维地图，山峰代表高适应度，山谷代表低适应度（图7）。在微观演化中，生物体主要沿着现有适应度景观的峰值连续爬升（图7A）；然而，在突变效应等作用导致的关键创新影响下，宏观演化存在着更高维的“黑洞”使得其在适应度景观中发生突跃，大多数情况下，这样的突跃会使得其跌入“山谷”（图7B），但有时也可以快速跃升至山峰，以适应环境。此外，宏观演化中的生态变化同样显著，环境的剧烈变动可能导致适应度景观的大幅重塑。原本适应的基因型可能因生态位的改变而失去优势，从而推动生物在新的适应性景观中重新探索适应路径。
图7、适应度景观示意图
（https://futureblind.com/p/mental-model-fitness-landscapes）
图7适应度景观的可视化了几类基本的生物演化过程（绿、蓝、黄点分别代表山峰、山谷、平坦）（A路径）向景观中最近的山峰缓慢的移动；（B路径）突变让某种生物特征显著改变，大多数情况下，这些跳跃会导致适应度大大降低，因此难以持续。但有时（如B路径的逆过程）它可以让基因型突然跃升至更高的峰值，以实现关键的生物创新；（C路径）或在为了达到更高的顶峰，物种可能不得不在短期内降低其适应性，因为它会缓慢地穿越山谷，以便提高长期的适应性。
在微观演化中，遗传约束通过性状间协同变化的限制，决定了物种适应方向的边界。这种约束作用在短时间内表现得尤为显著，因为微观演化主要发生在现有特征空间的有限范围内。然而，随着时间尺度的延长，宏观演化中，生物特征空间经历了质的扩展。例如，通过关键创新（如新器官的产生或基因调控网络的重组），生物能够突破传统约束，探索新的演化路径。与此同时，生态位的显著变化进一步加速了这种过程，生态位的剧烈变化导致适应度景观发生大规模重塑。原本受遗传约束而难以出现的性状间的组合类型可能在新的环境压力下获得适应优势，从而削弱传统约束的影响。这一系列变化为生物在更广阔的特征空间中实现表型创新创造了可能性，使宏观演化能够超越微观演化的局限，塑造全新的适应模式。
为什么发育约束在宏观演化视角下依然重要？
尽管宏观演化过程打破了微观演化尺度下的许多约束（如遗传约束），但有些发育阶段的特征仍然具有接近绝对的约束力，尤其是以下三方面：
多细胞动物中分化细胞分裂受限：多细胞动物细胞一旦分化，其分裂能力将逐渐降低。这种机制由中心体和纤毛的相互作用决定。首先，Henneguy和Lenhossek（1898）提出了后生动物普遍的发育限制——纤毛细胞不能分裂。当纤毛形成时，单个中心体的两个中心粒之一转变为基体并迁移到细胞表面，锚定在细胞膜上，并组织从细胞膜突出的纤毛的组装。
而在后生动物中，细胞中通常只有一个中心体，并且初级纤毛在几乎所有细胞中都发挥着关键功能，Buss (1987) 将假说从纤毛细胞扩展到后生动物的所有分化细胞。中心体主要负责细胞分裂，而当它用于纤毛的形成时，细胞的分裂能力将随之降低。这种机制确保了组织的稳定性，但也限制了演化中的变异空间。
图8、动物细胞分化示意图
脊椎动物胚胎的“种系特征性发育阶段”保守性：胚胎发育的种系特征性发育阶段不仅在形态上高度保守，其基因表达也是如此。在此阶段发生的变化通常会引发严重的多效性影响，导致个体无法存活。比如鱼类的胚胎与四足动物的胚胎在种系特征性发育阶段高度相似，体现了这一约束。
图9、胚胎（牛）发育种系特征性发育阶段示意图
（http://www.pwsannong.com/booklib/zeimage.zhtml?ID=35816&SiteID=123&Type=norm）
孤雌生殖的限制：尽管孤雌生殖在一些无脊椎动物中较为常见，但在脊椎动物中受到强烈限制，极为罕见。卵子发生过程中由于中心粒发生退化，周围着丝粒蛋白分散，着丝粒消失。在没有雄性配子结合回复着丝粒的情况下，二倍体动物中单倍体卵子的細胞分裂几乎总是失败，这构成了孤雌生殖演化的一个强大的发育限制。在常规孤雌生殖的物种中，常常要在减数分裂期间对细胞中通常严格控制的全局相互作用进行剧烈改变，产生具有发育能力的生殖细胞。比如，鞭尾蜥属（Aspidoscelis）中有多个进行孤雌生殖的物种，其生殖细胞在减数分裂前先将染色体组加倍，经分裂后产生染色体与母体一致的卵细胞，无需受精即可启动发育。然而，该过程需要改变极保守的减数分裂过程，造成很大的发育风险。
除了着丝粒退化，脊椎动物进行孤雌生殖的限制还有基因印记（Genomic Imprinting）和基因剂量（Gene Dosage）的问题。基因印记是指某些基因的表达只会受到父方或母方染色体的影响，具体来说，某些基因的拷贝在父亲染色体上会被“激活”，而母亲染色体上的同一基因则会被“沉默”。这种父母遗传差异对基因的表达至关重要。在孤雌生殖中，由于没有雄性精子的介入，后代只能继承母方的基因，这就导致了一些依赖父方基因表达的基因无法正常工作。研究表明，哺乳类演化出来特有的印记基因被认为是阻碍哺乳动物孤雌生殖的重要因素。
在这方面，最近中国科学院动物研究所的胡宝洋研究员、周琪研究员和李伟研究员带领的团队合作，成功地通过基因编辑技术解决这一问题。利用CRISPR等工具，重新修饰了小鼠生殖细胞来源的单倍体胚胎干细胞中的印记基因，将两个经过基因编辑的单倍体干细胞通过细胞注射融合，最终分别获得了以两个雌性小鼠作为亲本（孤雌生殖）和两个雄性小鼠作为亲本（孤雄生殖）的后代。在以前的研究中，孤雌生殖出生的小鼠只能存活几天，孤雄小鼠则更是未曾实现过。而该研究发现额外敲除印记基因Rasgrf1则能获得基本与正常个体一样的孤雌生殖个体，还通过删除7个印记区段首次获得具有两个父系基因组的孤雄小鼠。
基因剂量是指基因的拷贝数。正常的细胞需要从父母两方各获得一套完整的染色体，这样每个基因有两个拷贝——一个来自母亲，一个来自父亲。在孤雌生殖过程中，后代通常会是单倍体（如果没有染色体加倍），即只有母亲的染色体组。如果染色体没有经过加倍或其他修复机制，后代将只拥有单一来源的基因，这可能导致一些基因的剂量不足，无法正常发挥作用。另一方面，如果基因组加倍，可能导致一些基因剂量过多。这一机制也极大的限制了孤雌生殖的产生。
图10、多种孤雌生殖方式的示意图
(Encyclopedia Britannica, https://www.britannica.com/science/parthenogenesis)
发育约束的启示
发育约束不仅是一种限制，也是一种稳定的保护机制。例如，多细胞动物无法再生整个器官，使得癌症风险降低；脊椎动物的种系特征性发育阶段保守性确保了基础发育路径的正常运作。然而，环境变化或人工干预可能为打破某些约束提供机会。
讨论和总结
在探讨演化生物学中的“演化负荷”概念时，我们不可避免地会遇到一些批评与挑战。首先，格雷厄姆·爱德华·巴德（Graham Edward Budd）指出，负荷概念的提出似乎预示着一个性状会随着时间推移变得越来越沉重，直至达到一个不可逆转的境地，这有可能将生物体的演化推向一个死胡同。然而，这一担忧并非无懈可击。实际上，有研究表明，在生物体的演化历程中，那些紧密相连的元素，比如头骨结构中的各个部分，在经过长时间的演化后，可能会融合成一个全新的元素。这种融合不仅改变了整个系统的动态，还为生物体提供了一种克服不可逆转性的机制。
除此之外，赖纳·绍赫（Rainer Schoch）也对负荷概念提出了有力的批评。他强调，发育过程是一个充满多效性效应和嵌套性的复杂系统，这使得单个性状很难按照一个线性的方式逐渐积累负荷。更重要的是，Schoch质疑了负荷排序的实用性，他指出性状之间并不存在明确的因果关系。形态发生的动态并非线性过程，而是由一系列复杂的因果关系网络所构成的，这些网络涉及遗传-表观遗传调控等多个层面。因此，多效性效应和因果关系的复杂性成为了对最初负荷概念最有力的挑战。
动物的发育约束深刻影响了物种的多样性和演化潜力。从宏观演化的视角看，尽管许多限制可以被突破，但某些发育阶段的高度互动性和复杂性使得一些约束几乎无法被打破。这些现象展现了生命演化的复杂性与多样性，同时也提醒我们，理解发育约束的机理对于研究演化规律具有重要意义。
当我们深入探究发育限制的根源时，不得不提及“负荷”的概念。这一概念建立在两种关键机制之上：一是性状在总体发育过程中在合适的时间出现至关重要，二是性状间的相互依赖性。前者通过一个形象的沙漏模型（图4）得到了很好的说明，指出在胚胎特定发育阶段，个体所承受的限制或负荷最为沉重。而在这两种机制中，性状间的相互依赖性在当下演化研究中似乎受到了更多的关注。
负荷的概念不仅是一个简单的描述，它蕴含着一种互为因果的深刻联系。一方面，它揭示了形态发生过程中的限制如何影响身体结构的组织。换句话说，生物体在发育过程中所面临的种种限制，实际上在塑造其身体结构上起到了决定性的作用。但另一方面，我们也可以反过来理解，即身体结构的组织方式本身也限制了形态发生的动态过程，进而影响了可能出现的创新。这种互为因果的关系，使得负荷的概念成为理解生物演化中一个不可或缺的重要视角。
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