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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。
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Hox基因家族对于动物新形态的诞生至关重要，例如从鱼鳍到四肢的改变；还有新的中轴骨，比如蛇的身体。关于这些新的形态究竟是如何起源的，也许已经随着生命漫长的历史，永远故去在风里了，但是仍然有一条原则亘古未变：新形态的起源必然伴随调节方式的改变。
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不仅是形态，这个原则在所有新性状的起源里都应该适用。
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这里我们可以想象有一条纤细的蜥蜴，它在茂盛的草丛里蜿蜒游走，寻找下一顿美餐。突然它呆住了，因为它发现面前出现了一双巨大的眼睛正死死地盯着它。它意识到自己可能马上就会被眼前的怪物撕成碎片。但在突然之间，面前的眼睛像海市蜃楼一样消失了，只见一对扇动的翅膀乘风而去。原来根本不是什么捕食者，而是一只美丽的蝴蝶和它翅膀上的两个巨大的色斑而已。
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蝴蝶的眼状斑点是它的保命伎俩，由一种非同寻常的调节蛋白distalless控制。作为调节环路中的一员，除了参与果蝇的腿、翅膀和触角的形成之外，distalless还给蝴蝶的翅膀画上了奇异的眼斑。我们之所以能够确定distalless和独特的眼状斑点之间的关系，是因为distalless在蝴蝶幼虫发育中合成的位置正好与将来眼斑形成的部位吻合。有的蝴蝶的眼斑十分巨大，有的则相对较小，有的只有一个眼斑，而有的则有数个。但不管是哪一种，发育中的蝴蝶都在眼斑的位置上持续表达着distalless。distalless合成与眼斑位置的吻合不是巧合，实际上它的确是眼斑形成的原因：如果把合成distalless的细胞移植到翅膀上的其他位置，最后眼斑也会出现在同样的位置上。
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蝴蝶的身体就像一座大教堂，从体节的中殿到眼斑的滴水嘴兽，都是基因调节一手造就的。基因调节是优秀的建筑大师，不管图纸有多复杂都不成问题，其中也包括植物以及它们的根、茎、花、叶。第一株开花植物出现在大约两亿年前，它们的叶子边缘齐整，叶面平滑连续。随着时间的推移，单叶逐渐进化成深裂叶，一张叶片分裂为许多小的叶片（如图5-5）。
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图5-5 叶形
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单叶进化为深裂叶给植物带来了许多优势。深裂叶的表面积比单叶要大，这使得叶片能够吸收更多的二氧化碳进行光合作用，从而促进植物以更快的速度生长。此外，更大的散热面积能够使叶片在炎热的环境里不至于过热，而过高的温度往往会抑制光合作用的速度甚至损伤叶片。如果深裂叶这么好用，我们猜测它可能在进化上起源过不止一次。事实确实如此，仅仅在开花植物的历史上，深裂叶就有过至少20次相互独立的起源。
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每一次深裂叶的起源都伴随着基因调节的变化。植物在萌发的初期，只有尖部一小块组织内的细胞能够分裂，促进幼苗生长，推动植物向上穿破土壤。这块分裂组织也是一株植物所有的叶子最初起源的地方。在形成肉眼可见的幼叶之前，一小簇细胞，或者叫叶原基，就已经从其他分裂的细胞中分化出来，专门用以形成叶片。叶原基里的细胞都会表达一种名为KNOX的调节蛋白。
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牛津大学的安杰拉·海（Angela Hay）和米托斯·茜提斯（Miltos Tsiantis）曾经用一种十分不起眼的草本植物——碎米荠（hairy bittercress）进行实验，通过控制植物体内KNOX蛋白的合成，他们才发现了这种蛋白质在叶片形成中扮演的重要角色。随着KNOX的合成量降低，碎米荠深裂叶的缺刻数量会逐渐减少直至变成单叶。而如果调高KNOX的合成，深裂叶的缺刻就会相应增加。不仅如此，他们还发现KNOX不仅在碎米荠中，还在许多其他种类的植物体内控制着深裂叶的形成。
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上面的那些例子，以及无数我们未提到的事实都反映了基因调节对于生物进化的重要性。无论是世界上各个实验室的研究记录本，还是各种学术刊物，都充斥着有关基因调节分子的研究，比如植物中的KNOX、蝴蝶体内的distalless以及果蝇的齿状蛋白等。人类的基因组编码了超过2 000种不同的调节因子，它们构成了数十个相对独立的调控环路。过去半个世纪的研究已经让我们窥见了基因调控在塑造生物形态中的重要性，它有助于我们理解许多新性状进化的过程，以及性状背后的基因表达代码。
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但不论现实中的例子有多丰富，也不过只是告诉了我们蜥蜴的四肢和鱼的鳍在发育中与Hox基因家族有关而已，即不同的调节因子表达谱导致了不同的基因表达结果。即使我们找到了新性状与新调控环路之间的关联，也还是无法解释进化是如何找到这些最合适的基因表达的。（调控环路的种类越多，要弄清这些环路的起源就越困难。）另外，由于调控环路在进化过程中时刻积累着微小的变化，如何保持已有的优良基因表达谱就成了一个充满矛盾性的难题。仅有调控促进进化的例子，还是无法告诉我们这个过程到底是如何实现的。
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你可能会觉得这个问题很眼熟，其实它的答案也不陌生：我们需要研究尽可能多的调控环路，最好是整个图书馆里的调控基因型和它们的表现型。调节因子图书馆里收录的是编码调节因子的DNA，以及它们识别的DNA关键词。但如果我们直接以这种方式记录所有的馆藏，整个过程将无比烦琐和冗长，就像你要用每一个分子的空间定位来描述一栋房子一样。其实你大可以用一张房子的图纸省下很多力气，就像图5-4中的示意图那样。
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整个调节图书馆内包含了所有可能的调控通路，换句话说，就是包含了所有可能的图纸。你可能会觉得归档这些内容很困难，但实际上极其简单。调控环路里的任何一个调节因子，比如说A，如果我们要研究它与另一个调节因子B的关系，那么它的影响不过就是3种可能中的一种：A能够激活B、抑制B，或者根本对B没有影响。对于任何一对调节因子而言都是同样的道理，比如图5-4中的调节因子A和C，或者D和E，调节因子能够激活、抑制另一个调节因子，或者毫无作用。
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对于所有调节因子来说都仅有3种可能性。这个基本的原则能够帮助我们更好地理解图5-4中的5个基因的调控环路，接下去要做的就是数清这5个基因之间有多少种配对方式。图5-4中的环路内有52种配对方式，对于每一对基因而言都有3种不同的可能效应。第一对基因有3种可能的效应，第二对、第三对也同理，以此类推，直到第25对。所以5个基因的调控环路的所有可能结果一共有325种，换句话说，由5个基因组成的调控环路有超过8 000亿种可能。
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对于5个基因来说，8 000亿这个数字显得着实惊人，尤其是许多现实的调控环路中包含的基因数量远远不止5个。以脊椎动物的Hox基因家族为例，它们组成的调控环路里有至少40个基因。要计算40个基因的调控环路有多少种可能性，我们可以采用同样的方法：首先计算基因的配对数量，为402（1 600）种，然后计算31600。如此大的量级对于我们而言并不陌生，这个数值超过10700，如果把它印刷出来，那么可以铺满这整页纸。
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