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果蝇的身体主要有三个组成部分，这三部分又可以再细分为14段体节：头部为单独的一部分，胸部占三段体节，腹部占11段，每一段体节各司其职，负责爬行或是生殖的功能。对于大多数人而言，果蝇既不漂亮也不高贵：这种卑微的虫子根本无法与翅膀华丽的鸟儿，抑或与雄伟的巨型红衫相提并论。不过，14段体节和它们的作用对于果蝇来说，犹如哥特式教堂的飞扶壁和帕提侬神庙的多立克柱式，科学家研究体节得到的启迪堪比在生命科学任何其他领域的所得。直到今天仍然有许多人，从学习生物学的高中生到诺贝尔奖得主，都还在研究果蝇的体节。体节是研究基因调控的理想素材，体节研究中得到的许多原理在其他动物体内同样适用。
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果蝇在产卵前会在卵内植入一些短小的遗传物质片段作为化学信号，帮助幼虫发育。这之中就包括一种名为bicoid的基因的RNA转录产物，利用它，果蝇卵能够翻译出一种bicoid蛋白。（没错，研究果蝇的生物学家在取名的时候通常没那么讲究。）bicoid蛋白集中在受精卵的前部和将来会发育为果蝇头部的位置。bicoid蛋白就像一滴坠入水里还来不及扩散的糖浆，它在果蝇受精卵内的浓度在离开前端之后呈现迅速衰减态势。
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除了bicoid之外，果蝇妈妈还在受精卵的前端留下了几种其他基因的RNA转录产物，同样的道理，受精卵的后端也有独特的化学信号，在离开后端之后它们的浓度也迅速衰减。果蝇妈妈的工作完成之后，胚胎的每一个部分都会拥有自己独特的调节因子组合，如同条形码一样，独一无二。
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当一个精子与卵子相遇，受精卵便会形成并开始分裂。胚胎发育中会根据母亲留下的RNA分子决定合成蛋白的种类。在每一个胚胎子细胞内，蛋白质的合成数量都由母亲预留的RNA决定。而这些胚胎中早期合成的蛋白质正是决定其他基因开闭的调节因子，某个基因的开或关取决于对应调节因子的数量。举个例子，如果一个基因的激活因子只在受精卵的前端十分丰富，如bicoid，那么这个基因只会在受精卵前部被激活表达。
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在早期调节因子调控的基因中有一些比较特殊，它们本身也是调节因子，用来激活别的基因，而进一步激活的基因中又有一些是编码调节因子的，以此类推。不仅如此，调节因子之间还会逐渐形成相互调控。最复杂的调控环路中涉及多达15种不同的基因，这个环路里的基因均执行着我上面所说的相互调节，结果是有的基因最终得以表达，而有的则没有，形成了自己独特的基因表达谱。
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调控环路中有一种格外特殊的蛋白质，名叫齿状蛋白（engrailed）。经过与别的基因相互作用和影响，齿状蛋白在胚胎里呈现高度规律的间隔表达。果蝇胚胎中有7个区域表达齿状蛋白，另外7个则不表达，两种区域间隔分布，形成了果蝇体节最早的划分依据。接着，齿状蛋白以及别的调节因子继而控制其他基因表达，决定一段体节究竟是发育出腿，还是萌出翅膀，抑或是参与构成腹部。
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上面的过程以及更多没有提到的变化都发生在数个小时之内。不过果蝇胚胎受到发育生物学家们的普遍青睐，不仅仅是因为它的发育速度：在果蝇体节完全形成之前，胚胎细胞之间还没有被彻底分隔。换句话说，分子在成长的胚胎里能够自由出入不同的细胞。而对于大多数其他物种而言，胚胎细胞在受精后几乎会立刻与别的细胞分隔，这让细胞间的交流通信变得异常困难。
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当然这并不意味着根本不可能。男性的生殖器官阴茎和阴囊就是一个典型的例子。当男性胎儿发育到8周的时候，一小簇睾丸间质细胞（leydigcells）就会在将来发育出性器官的位置附近释放雄性激素。雄性激素中包括睾酮等对塑造性器官至关重要的激素，激素会指导周遭的细胞向阴茎和阴囊分化，并在日后分化出精子细胞。雄性激素从睾丸间质细胞内被分泌出来后会进入细胞之间的空隙，雄性激素的分子结构能够让它随意穿过细胞膜，进入另一个细胞内。
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在新细胞内，雄性激素的受体，即一种能够识别雄性激素分子形状的特殊蛋白质，早已等候多时。当两者相遇时，受体分子的形状就会发生改变，形成一把分子锁。蛋白质的形变让它能够识别DNA上的某个关键词，并激活相邻的基因。雄性激素受体能够激活许多不同的基因，其中就包括某些调节因子，它们在雄性器官内维持着数百个基因的激活状态，正是这些基因赋予了男性生殖器官中的细胞独特的分化性质。
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从果蝇到人类，胚胎发育的每时每刻，所有组织内都在发生类似的信号交联，涉及的信号分子数以百计。正是在这种超乎常人想象的信号交流过程中，细胞得以确定自己的位置和命运，就像表达bicoid的细胞们“知道”自己位于胚胎的“头等舱”一样。基于同样的原理，细胞在信号指令的操控下分裂、移动、膨胀、收缩并变得扁平，最终完成细胞分化和生物塑形。不管何时，当细胞需要发生分化，生物形态需要进行重塑时，都逃不过细胞对信号分子表达的调整。
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如果我们能够弄清从果蝇到人类胚胎发育的调节方式，我们就能预测器官、组织和细胞的形成，以及为何不同的生物在外形上千差万别。如此，真可谓大功一件。然而不幸的是，环路体系的表达谱着实庞杂，即便像图5-4中画出的经过简化的环路依旧十分复杂。如果说A能够激活B，而C却抑制B，B能够激活C，而D则抑制C，那么我们很难一眼看出各个基因最终的表达情况。实际情况是，许多现实中的环路含有的基因数量比图5-4要多得多，数十种调节因子像尼龙绳一样相互交织，繁复程度远远超过我们大脑的处理能力。不过也不是毫无办法，我们还有能够利用数学运算模拟环路内分子关系的计算机，与我们的碳基大脑不同，科学家可以依靠硅基大脑的算法，预测环路内所有基因最终的基因表达谱。
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曾经有一名杰出的计算机科学家耗费毕生精力试图完成这项工作，他的名字叫约翰·瑞尼茨（John Reinitz）。20世纪90年代，当我还是耶鲁大学一名研究生的时候见过约翰。他比我年长几岁，大家都称他为怪胎，在那个抽烟并不光彩的年代，他时刻烟不离手。即便是在星期五便装日，他也衣冠楚楚，一丝不苟。他开着一辆古董级的大众甲壳虫，后座上堆满了垃圾食品的包装盒。约翰叛逆、不拘小节，他敢于挑战主流的勇气对他的研究来说简直是无价之宝。
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当时有许多科学家在研究果蝇的胚胎，而计算机对于他们的价值仅限于写论文。多数人研究果蝇主要是通过改变DNA与编码的基因，或者是在实验室里控制某种调节因子的表达，然后观察这些改变对于体节发育的影响。这些科学家的实验同样多产：其他的暂且不论，他们在果蝇基因组中找出了数千种与胚胎发育有关的关键基因。但是对于理解整个表达环路中的基因表达谱而言，单个基因在整体中显得微不足道，实验科学家们一次只能针对一个基因的研究手段注定收效甚微。虽然今天科学界已经普遍接受了这项技术，但是在20世纪90年代早期，约翰试图用计算机模拟果蝇的想法根本不被一众科学家看好，甚至遭到了少数人的无视及鄙夷。
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约翰的想法有点像建造一台飞行模拟器，后者对于培训空军和商业飞行员来说不可或缺，它不仅可以模拟整套驾驶舱的操作机械，还能够模拟飞行中受到的气流干扰及仪表故障。与之类似，约翰收集了果蝇胚胎早期发育中的各种调节因子，以及它们相互之间调节关系的海量信息，将这些信息代入算法，并在计算机中模拟果蝇发育的过程。就像那些运行效果优良的飞行模拟器一样，约翰的果蝇模拟器也得以顺利运行——这可不是一件容易的事。果蝇模拟软件能够模拟果蝇胚胎的早期发育，而且运算速度惊人。它能够不断重复运算，直到保证没有任何算法遗漏。正如飞行模拟器能够模拟坠机，除了演算正常胚胎的发育，果蝇模拟器还能模拟基因表达调节异常的情况下，不同基因突变如何导致胚胎发育畸形。
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我在这里写的这几行字几乎相当于约翰在过去几十年里花费的全部心血，他在建立果蝇模拟器的过程中受尽了同行的冷漠和蔑视。当我抬手准备拍死一只苍蝇的时候，脑海里经常会闪过他默默奋斗的身影。（然后世界上就少了一只苍蝇。）
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除了脊梁骨和脊髓，包括鱼类、哺乳类、两栖类、爬行类和鸟类在内的6万多种脊椎动物在形态上可谓千姿百态。不过，由于所有的脊椎动物都可以追溯到生活在5亿多年前的同一个祖先，所以我们可以说现代脊椎动物的形态多样性都建立在类似的内部结构之上。比如偶鳍，通常一对在躯干前方，一对在躯干后方，用以帮助鱼类在水中推动身体前进并控制前进的方向，陆生动物用于爬行奔跳的四肢正是起源于偶鳍。而某些陆生动物的前肢后来又进化为鸟类的翅膀，比如恐龙。
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四肢是陆生脊椎动物进化的关键所在。无论前后肢，都是由结构类似的三个部分构成的，上臂和大腿，前臂和小腿，以及手和脚。人类的手臂与腿部的主要骨骼与马、狗、鹰、蝙蝠、猪、鳄鱼以及其他很多动物的前后肢骨骼基本相同。在进化中，仅仅改变骨骼的尺寸，很多特殊的功能就可以成为可能，例如，相对修长的四肢骨是马快速奔跑的秘诀，而相对较轻的翅骨则有利于鸟类的飞行。
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四肢的存在与某个在许多生物体内负责塑造形态的调节因子家族有关，物种跨度从水母到人类。虽然这些调节因子是生物躯体正常发育所必需的，但是编码这些调节因子的基因，即homeobox或Hox，它们的名字是根据它们在同源异形现象（homeosis）中的作用而定的。同源异形现象指这些基因变异后造成的生物畸形，例如畸变的果蝇在头部原本是触角的位置长出了无用的腿。通常来说，改变生物正常的基因表达往往会引起严重的后果。
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homeobox是一种含有60个氨基酸的蛋白质，它能够与DNA结合从而帮助Hox调节因子调控基因的表达。无论是在果蝇还是人类体内，这些调节因子都主宰着其他数百种与细胞、组织以及器官形态有关的基因活动。除了单个基因之外，Hox调节因子还在调控另一种东西，那就是调控环路。如果你还记得图5-4的话，Hox家族的调节因子参与的调控环路要比图5-4里的例子复杂得多，因为动物细胞中的调控环路通常包含40种乃至更多种调节基因。类似的环路往往是决定动物身体形态的关键，其中也包括人类。人类脊柱中的33块脊椎骨以及它们独特的形态，即脊椎颈部的前两块骨头构成一个灵活的关节，12块胸椎与肋骨结合处的关节槽等，就是典型的例子。
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胎儿在子宫内发育的时候，Hox基因家族就已经在调控颈椎、胸椎和腰椎的基因表达了。每一个部位的Hox家族各个基因的开与关就构成了这个部位的基因表达代码（gene expression code），不同部位的表达代码各不相同，某个表达代码代表颈椎，另一个则代表胸椎，诸如此类。
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Hox基因不仅负责塑造人类的身体，它也在其他脊椎动物，例如蟒蛇或任何种类的蛇体内参与形态构建。蛇的独特形态是大自然无心插下的又一根柳条，使得这种生物能够在地面蠕动、在地底穿梭、在水里游弋。某些种类的蛇拥有超过300块脊椎骨，它们中大多数的躯体结构与我们的12根胸椎无异，也连接着肋骨。Hox基因家族便是蛇与其他脊椎动物产生形体差别的原因：在大多数脊椎动物体内，Hox家族只在胚胎的一小块区域内激活胸椎基因的表达，但是当蛇的进化之路在大约1亿年前与蜥蜴分开之后，这一小块区域就像拉开的橡皮筋一样扩展开去。指导胸椎形成的Hox表达出现在了身体中轴上的大部分区域，使得这些区域的数百个脊椎发育为胸椎，继而造就了蛇独特的身材。
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Hox基因家族不仅在动物中轴骨的形成中起着决定作用——在脊椎动物里，这里所说的中轴骨基本相当于脊椎骨，它们还参与了另一个脊椎动物的结构形成：鱼鳍。鱼鳍并不是一成不变的。在过去的数百万年里，进化通过Hox基因家族的变异、优化和分化，逐渐把鱼鳍变成了四肢。不管生物是在地上奔跑还是在天空翱翔，四肢骨的基因表达都可以被划分为相似的三部分，第一部分的Hox基因控制上臂的形成，第二部分控制前臂的形成，而第三部分则控制手掌的形成。
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某些基因的变异在动物体内导致了可怕的先天缺陷，上述的结论正是来自对这些变异缺陷的研究。比如发育的四肢中如果缺乏Hoxa11和Hoxd11的表达，那么结果将导致胚胎没有前臂，手掌从手肘的位置萌发出来。同样的道理，如果Hoxa13和Hoxd13表达缺失，那么胚胎就可能无法萌发手指或手掌。还有一些Hox基因表达的缺失则会导致前臂和手掌同时消失，仅有上臂能够正常发育。
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当然，正常情况下Hox家族的基因都还是恪尽职守的。此外，它们所参与控制的结构数量惊人，从盆腔到颅骨，都离不开Hox家族的身影。Hox基因家庭同样存在于虾、水母、蠕虫甚至是果蝇体内，而且重要程度几乎与控制体节形成的调节因子家族相当。实际上，两者的工作是前后衔接的。当体节家族的成员敲定体节的数量之后，Hox家族继而决定每个体节的功能，如这个体节负责腿，那个体节负责翅膀等。体节和Hox基因家族还只是果蝇和其他动物众多同类型分子家族中的两个，从数亿年前动物出现伊始，这些家族就已经参与到对形态的控制中了。