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如果调节环路图书馆中的10700件馆藏里只有一个表达谱与Hox家族吻合，那么它就如同一根掉进宇宙的绣花针，生物进化大可以早早放弃挣扎。我在20世纪90年代就疑惑过，为何进化最终还是战胜这渺茫的概率找到了Hox家族，不过我并没有把这个问题太当回事，当时的我正为别的研究项目忙得焦头烂额。直到2004年，当我在靠近法国巴黎的高等科学研究所进修休假[17]时，才开始认真考虑这个问题。
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高等科学研究所坐落在一个到处是参天古树的田园乡间，那里有着精心修剪的灌木、争相怒放的花朵，还有在思考问题时能够信步的幽静小道，简直是对那些受尽经费申请、社交应酬以及社区活动纷扰的生物学家来说最好的避难所。常驻在研究所内的几个为数不多的科学家都是非同凡响的优秀学者，他们当中有数名菲尔兹奖的获得者（菲尔兹奖是公认的数学领域的诺贝尔奖）。
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研究所主要的研究领域是数学和物理学，但所内的首席科学家们早就注意到了分子生物领域长期以来的停滞不前，他们预见到当前盲人摸象般的研究方式需要一种整体水平的学科进行整合，而这种洞见的产物就是一门分支学科：系统生物学（systems biology）。这个新近出现的研究领域把实验数据和数学、计算机技术结合起来，试图解释分子水平的活动如何作用于生物整体，换句话说，就是微观分子如何构成了宏观生物体。数学家和物理学家手握许多解决这种问题的理论手段，所以研究所邀请了像我这样的生物学家造访，想要看看不同领域的科学家能否联手合作。
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我很庆幸当初接受了这份邀请，因为正是在巴黎，我遇见了奥利弗·马丁（Olivier Martin）。
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奥利弗是一名享有国际声誉的统计物理学教授，任职于巴黎市郊的奥赛大学（University of Orsay）。像奥利弗这样的统计物理学家，很擅长解决海量微观粒子的宏观现象，比如高压密封罐里的丙烷气体是如何在宏观上产生压力的。对类似压力现象的把控非常重要，谁都不会愿意看到储气罐爆炸，但想要实现也并不容易，因为气体分子和储气罐内壁每时每刻都在发生万亿次的碰撞。统计物理学家乐于把数以万亿计的微观分子看作一个整体，因为单独考量每个个体分子几乎是不可能的，所以他们发明了一套用于研究类似体系的统计方式，算法中包含了复杂的统计学手段。不过我们这里所说的统计分析除了名字之外，与美国大选中民调专家口中所谓的统计分析没有任何关系。
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奥利弗也有自己的烦恼。今天的统计物理学就像一家被饿汉们席卷之后的自助餐厅：大多数主要的问题基本都已经被解决了，剩下的都是残羹冷炙，剩下的问题不是太艰涩就是太微不足道，这样的情况从19世纪詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）用统计学开创热力学以来就没有发生过太大的改变。和他所在领域里的众多其他科学家一样，奥利弗非常渴望突破物理学的局限。他的烦恼在于不知道如何在系统生物学领域找到一个难度合适的新问题，让他所掌握的统计物理学技能找到用武之地。
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而我却有一座馆藏数量达到10700件的图书馆要照看。乖乖，我就是奥利弗的贵人啊！
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奥利弗·马丁和我开始合作之后没多久，我就对他感激不尽。他作为科学家的直觉和学术素是为我们探索图书馆最好的保障。不过他可不仅仅是一位旅途中的好伙伴，更是一位亲切慷慨的师长，不时耐心地提点我们，用他掌握的专业技能帮我们摆脱眼前的困境。
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我们研究开始的第一步是为了解决一个问题，而这个问题你已经非常熟悉了：某种含义的文本在调控环路图书馆里是不是唯一的？为了找出答案，我们从图书馆里的某个环路开始，模拟和计算这个环路的表达结果。然后我们改变其中一对基因的作用关系，查看这个变异能否改变表现型，接着再恢复到最初的环路，改变第二对基因，依次类推，直到我们检验完所有的相邻环路并得到它们的表现型。为了排除某个调控环路的偶然性，我们选择了许多不同的环路作为起点进行上述的检索，这些环路包含了不同的基因数量、不同的相互作用基因对、不同的基因相互作用以及不同的表现型。
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最终，我们得到的结论是一致的。每个调控环路所处的社区里往往包含数十个到数百个表现型相同的相邻环路。也就是说，即使发生基因突变，单个基因对作用关系的改变也不一定会引起调控环路表现型的改变。基因调控环路不像马戏团里杂技演员表演的叠罗汉，不是其中一个个体“差之毫厘”，整体就会“失之千里”。调控环路的基因型之所以能够耐受这样的突变，是由于并非每一对基因间的关系都对环路的功能有重要贡献。
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从一个环路出发的第一步我们就已经得到了一个重要的结论：没有哪种性状，不管是果蝇的体节、植物的深裂叶还是脊椎动物的脊柱，都是由独一无二的调控环路塑造的。基因对关系不同的调控环路同样能够产生相同的性状。不过我们不知道这些表现型相同的环路到底有多少，在超过40个基因的调控环路里筛查所有环路的计算量是我们力所不及的。哪怕是规模小得多的环路，计算量也非同小可：10个基因的调控环路有超过1040种可能性，而20个基因的环路则有10160种。实现同一个性状的基因型远远不止一个。
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接下来，为了评估同一表现型的不同基因型在图书馆里的相对距离，我们再一次借助探索代谢图书馆和蛋白质图书馆时用过的随机游走。选择一个起点，模拟环路的表现型，而后改变某一对基因的作用，即添加或者抹掉一个基因对另一个基因的作用，以此移动到相邻的调控环路上，在保证表现型不变的情况下，继续重复上述步骤，直到无法通过改变任何单个基因对维持表现型稳定。
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不出所料，我们又能凭借这种方式横穿几乎整个图书馆。基因对差异超过90%的两个调控环路依旧能够产生相同的表现型。如果用示意图标记两个环路里的基因联系，你可能永远想不到两者是如何经过一步一步微小的变化而成为对方的。但它们的确指向了某个问题的答案：如何产生某种特定的蛋白质指导细胞特定的分化。
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为了确保结果具有代表性，包括我们模拟的表现型，我们尝试了以各种不同的环路作为起点，不同的环路基因数量、不同的基因间关系数量、不同的作用关系以及不同的基因表现型，而这些对结论都没有影响。某些环路虽然差异巨大，但是表现型却相同，最小的差异只有“区区”75%而已。但是“如此小”的差异依旧很难让人联想到它们之间居然还存在着联系。
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进化还告诉我们，所有图书馆中表现型相同的调控环路是相互联系的。我们可以以它们中的任意一个作为起点，通过一次改变一个基因对并保证性状相同的方式，检索到表现型相同的任何其他环路。和在代谢图书馆以及蛋白质图书馆里一样，我们在环路图书馆里又找到了一种从一点走到几乎任意一点的方式，而不至于迷失和身陷在无意义的环路泥潭里。
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于是，调控环路图书馆里所有表现型相同的调控环路也形成了一张巨大的网络，类似的基因型网络我们已经在代谢图书馆和蛋白质图书馆里接触过了。调控环路图书馆里充斥着这样的网络，每一个网络里都包含了数不清的环路，零散分布在图书馆各个角落。同一张网络里的每个调控环路都有相同的作用：指导特定的基因表达谱，帮助特定的细胞、组织或器官分化。一张网络中只有包含足够数量的调控环路，不起眼的深裂叶新性状才有可能在进化史上不断重复上演。
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如果没有计算机的帮助，通过对数百万个环路的模拟来理解环路图书馆几乎是不可能的，这意味着数百名实验科学家必须要花费数十年，在数百万种果蝇身上完成实验，才能理解一种调节果蝇体节分化的基因环路。但是，的确有一些胆识过人的科学家在某些更低等的物种身上进行这种研究工作，他们的研究对象是细菌和真菌。巴塞罗那科学家马克·艾莎兰（Mark Isalan）就是其中之一，他在大肠杆菌的调节因子基因间构建新的联系，创造了数百种大肠杆菌环路的相邻调控环路。和我们的演算结果一样，他发现调控环路对于内部基因的关系变化具有相当的耐受性。他在大肠杆菌身上构建的改变中有95%没有引起任何功能性变化。
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还有科学家比较了多种啤酒酵母体内的调控环路，想知道它们之间的差异究竟能有多大。这种调节环路的其中一个作用是激活消化乳糖的乳糖酶基因。你可能会想，类似的调控环路应当具有某些共同特征，只有找到发现和运用这种特征的真菌才能拥有相应的代谢能力，并把这种能力稳定地遗传给后代。而事实并非如此。以两种进化道路在数百万年前就各自独立的真菌为例，不仅它们的调控环路完全不同，甚至于参与环路的调节因子都不一样。两种调控环路不分高低，如若不然，它们也无法同时保留至今。自然界以两种不同但是同样有效的方式解决了同一个问题。不仅如此，用于功能相同或不同的调控环路之间，也被一步步微小的变异联系在了一起。
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核糖体能够将RNA翻译为蛋白质，编码这种分子机器的基因向我们诉说了同样的故事。细胞在高速合成蛋白质的过程中，必须精确控制不同蛋白质间的数量平衡，不然就可能会像过量合成无用β-半乳糖甘酶的大肠杆菌那样破裂死亡。维持这种精妙的平衡似乎很难，很容易让人误以为只有某种最佳的解决方式才能实现。但是实际上，有两种不同的真菌分别以两种完全不同的调控方式实现了这种平衡。
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类似的例子向我们展示了生物对调控环路图书馆的深入探索。但是物以稀为贵，在寻找新颖和高效的表达谱的过程中，生命面临着它们在探索代谢图书馆和蛋白质图书馆时就曾遇到过的同样的难题：环路图书馆里有数万亿种不同的调节环路，但与某个环路直接相邻的社区中却最多只有几千种环路，以这种方式寻找新的基因型效率着实低下。
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为了获得尽可能多的新性状，调控环路的进化必须设法跨出所在的社区。这种探索图书馆的方式只有在不同的社区间存在巨大差异的情况下才能收益最大化。为了验证事实是否如此，我们让计算机从一张基因型网络中随机挑选两个调控环路，姑且称之为A和B，它们的表现型相同，但是环路结构天差地别。接着，我们再找出它们各自所有的相邻环路，并分别演算它们的基因编码。我们发现，在A环路与B环路所在的社区中，大多数相邻环路所控制的基因表达谱都不相同，更不要提A环路和B环路本身在基因数量和基因关联上的巨大差异。不同社区中的环路往往表现型也不同。
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于是我们的故事又回到了熟悉的套路上。环路图书馆的布局与代谢图书馆和蛋白质图书馆类似。我们把指导相同基因表达谱的调控环路安置到一张巨大的基因型网络里，对于在这张网络里漫无目的游荡的读者而言，他们只能象征性地在“换汤不换药”的馆藏里寻找新书。真正推动生物进化的动力恰恰是无头苍蝇一般的随机突变，调控环路在稳定积累的微小变异中逐渐改变：虽然某些突变葬送了整个调控环路，但依然有一些突变在保留环路功能的基础上把生物推向了不同的基因型社区，获得了新的基因表达谱，而总有一个表达谱会为下一步生物形态的重塑埋下伏笔。我们再次看到，基因型网络中多样的基因社区成为新性状出现的关键。
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不同图书馆之间的这些共同点让人捉摸不透。为什么代谢、蛋白质和调控环路图书馆中的新性状有着相似的起源方式？为什么不同的图书馆却有着十分类似的分类体系？这些问题的答案是一只看不见的手，它早在生命出现之前就在引导着世界万物的进程。这只手是自组织，而生命的自组织作用显得尤为奇特，接下来我们就回到这种作用上。
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