发育生物学 developmental biology (Alan Love)

首次发表于 2015 年 3 月 23 日星期一；实质性修订于 2020 年 2 月 14 日星期五

发育生物学是一门研究各种相互作用过程如何产生生物体在从胚胎到成体的轨迹上出现的异质形状、大小和结构特征的科学。它代表了当代实验生物学的一个典范领域，专注于那些让自然哲学家和科学家们困惑了两千多年的现象。生物哲学家对发育生物学表现出兴趣，是因为发育对于理解进化、基因解释中还原主义主题的潜在相关性，以及通过对特定研究项目的细节增加关注，比如干细胞生物学。发育生物学展示了丰富的物质和概念实践，可以进行分析以更好地理解实验生命科学中展示的科学推理。本文简要回顾了一些本体发生的中心现象，然后探讨了代表发育生物学认识论概念反思的重要性和前景的四个领域。

1. 概述

发育生物学是一门研究各种相互作用过程如何产生生物异质形状、大小和结构特征的科学，这些特征在从胚胎到成体的过程中产生，或者更普遍地说，在整个生命周期中产生（Love 2008; Minelli 2011a）。它代表了当代实验生物学的一个典范领域，专注于许多自古以来困扰自然哲学家和科学家超过两千年的现象。在胚胎早期阶段看似同质的组分之间的动态关系如何产生一个包含异质部分、排列合适且连接正确的整体有机体？更简洁地说，我们如何解释个体发生（或者更古老地说，生成）？在《动物的产生》中，亚里士多德首次系统地研究了发育现象，并认识到了关于分级组织部分的出现和关系的关键问题（例如，包含骨头和骨头的解剖特征），以及解释难度如何确定后代中形态形成可靠性的问题（例如，特定物种附肢的典型形状和结构）。生成一直是早期现代时期的一个尖锐问题，并由当时许多重要人物探讨，包括威廉·哈维、勒内·笛卡尔、罗伯特·波义尔、皮埃尔·加桑迪、尼古拉斯·马勒布朗什、哥特弗里德·威廉·莱布尼茨、安妮·康威、伊曼纽尔·康德等（Smith 2006）。对生命周期转变的观察，如变态，为这些努力提供了支持，并导致了引人注目的结论，例如莱布尼兹对生成的否定。

动物和所有其他有机物质没有起源……它们表面上的生成只是一种发展，一种增加……一种像任何其他变化一样的转变，例如像毛虫变成蝴蝶那样。（Smith 2011: 186–187）

发育生物学中凝结出的一个重要主题是表观发生与预成论之间的区别（见生物发展理论条目）。表观发生的支持者声称，形态的异质性、复杂特征是通过互动过程从同质性、较简单的胚胎结构中产生的。因此，对这些形态特征的发生过程的解释需要考虑互动是如何发生的。预成论的支持者声称，复杂的形态在胚胎中预先存在，并通过普通的生长过程“展开”。一个充分的解释需要详细说明生长是如何发生的。尽管预成论在解释形态在发生过程中如何出现方面具有较轻的解释负担（假设生长比过程互动更容易解释），但它也必须解决下一代的起点如何形成具有必要的异质性复杂特征。有时通过在有机体内无限嵌套越来越小的微型物体来实现这一点（图 1）。表观遗传学的观点通常依赖于目的论推理形式（见生物学中目的论概念条目），以解释为什么同质性组分之间的互动最终导致一个复杂、整体一体的有机体。虽然没有什么阻止在解释发展的不同方面混合这两种观点的特征，但是将其极端化为二元立场经常发生（Rose 1981; Smith 2006）。

图 1：一个早期现代的描绘，展示了一个位于精子内部的微小人物，体现了预成论观点。

在 19 世纪末 20 世纪初，发育主题在围绕生命力论的争议中备受关注，比如威廉·劳和汉斯·德里什在解释个体发生过程中存在的分歧（Maienschein 1991）。劳认为受精卵包含代表不同有机特征的遗传元素。在细胞分裂过程中，这些元素在子细胞之间不均匀分布，导致不同的细胞命运。相反，德里什认为，尽管发生分化，但每个细胞通过分裂保留了其全部潜力。尽管这个问题通常被理解为生命形而上学（生命力论与唯物主义）的问题，但德里什对发育和生物体自主性的解释具有认识论维度（Maienschein 2000）。解释上的分歧涉及不同的实验方法和对早期发生过程中分化性质的不同看法（例如，细胞预定程度）。贯穿这些讨论的一个熟悉的哲学主题，无论是认识论还是形而上学，都是生物学中还原主义的地位。到 20 世纪中叶，研究发育的科学学科胚胎学逐渐转变为发育生物学，其中包含多种经过重新设计和顽固的元素（Berrill 1961）。与还原主义问题相结合的这段历史的一个关键方面是实验性（而非比较性）胚胎学的分子化（Fraser and Harland 2000），并伴随着对基因解释力量的强调（参见有关基因和第 3.1 节）。这个复杂而迷人的历史，包括与医学和生殖技术的相互关系，已在其他地方详细介绍（参见，例如，Oppenheimer 1967；Horder 等人 1986；Hamburger 1988；Hopwood 2019；Maienschein 2014；Maienschein 等人 2005；Gilbert 1991；Embryo Project in Other Internet Resources）。

发育生物学越来越成为生物哲学探索领域，因为发育对于理解进化具有潜在相关性（Love 2015; Section 5），生物学中还涉及还原主义主题和分子遗传学解释（Robert 2004; Rosenberg 2006; Section 3），以及对特定研究项目细节的关注增加，如干细胞生物学（Fagan 2013; Laplane 2016）。然而，不应忘记发生学在 20 世纪哲学学者的视野中，如 Ernest Nagel 对生命系统发展中的等级组织和还原的处理（Nagel 1961: 432ff）。对于当代科学哲学而言，发育生物学展示了丰富的物质和概念实践，可以进行分析以更好地理解实验生命科学中展示的科学推理（参见生物学实验条目）。在简要回顾了一些发生学中心现象之后，本条目探讨了代表发育生物学认识论概念反思的重要性和前景的四个领域。

1.2 发育现象

发育生物学是一门旨在解释生物体结构随时间变化的科学。结构，也可称为形态学或解剖学，包括部分的排列、部分数量和不同类型的部分。（Slack 2006: 6）

大多数发育生物学家试图解释的特性是结构性的，而不是功能性的。例如，发育生物学家更专注于组织层如何折叠或形状如何生成，而不是折叠的组织层做什么或形状如何发挥功能。功能的发生，无论在组织的哪个层次，都是发育生物学的一个要素，但通常被括号括起来，因为围绕形态或结构的发生的问题占主导地位（Love 2008）。

教科书（例如，Gilbert 2010；Slack 2013；Wolpert 等人 2010）通常描述了围绕动物发育过程中显示的变化结构的一套规范事件。其中第一个是受精（在有性繁殖的物种中），在这里，一个已经半有序的卵子与一个精子细胞融合，随后它们的细胞核融合以获得适当的遗传物质的补充。其次，受精卵经历了几轮裂变，这是没有细胞生长的有丝分裂，将受精卵分成许多不同的细胞（图 2）。经过多轮裂变后，这个球形细胞团（现在称为原胚）开始表现出一些生殖层（内胚层、中胚层和外胚层）的特异性，然后开始在一端内陷，这是一个复杂的过程，称为原肠形成，最终产生一个贯穿式肠道。所有三个生殖层，从中特定类型的细胞衍生出来（例如，神经细胞来自外胚层），在原肠形成期间或其完成后不久就建立起来。器官发生是指通过细胞群的相互作用和重新排列来产生组织和器官。限于特定分类群的事件包括脊索动物的神经形成，而其他事件与发育方式（从幼虫到成体阶段的变态）或个体创伤（肢体再生）相关。

图 2：海螺胚胎中胚胎裂变的一个例子，显示不同细胞谱系在发育过程中的命运。

这些独特的发育事件及其产生的形态特征的形成涉及几个关键过程（例如，胚胎形成后形成的消化道或在器官发生期间形成的心脏）。这些对形态的发生是至关重要的，并直接与发育生物学中的主要研究问题联系在一起（第 2 节）。首先，细胞特性，如形状，在发生过程中发生变化。这是分化的功能，细胞采取特定命运，包括形状转变（图 3）。其次，胚胎中的细胞区域通过排列和组成的改变被指定为对应于胚胎不同部位的不同轴（例如，背腹、前后、左右和近远）。这些区域的连续建立被称为模式形成。第三，细胞转位并聚集成层（例如，内胚层和外胚层，随后是许多谱系中的中胚层）和后来的组织（不同细胞类型的聚集）。第四，细胞和组织迁移并相互作用，产生由多个组织层组成的新排列和形状，具有新功能（即器官）。这最后两组过程通常被称为形态发生学（Davies 2005），并通过许多不同的机制发生（第 1.3 节）。第五，个体不同形态特征的大小增长，当将受精卵与成年个体进行比较时，这是非常明显的，尽管不同特征之间的比例变化（异速生长）也很引人注目。

图 3：关于与血液中发现的细胞组分相关的分化类型的简单说明。

这些过程都不是孤立发生的，对特定形态特征的解释通常同时涉及其中几个，假设其他在发生过程中通过不同实例和过程的组合而形成的特征。这为研究设定了一个广泛的议程：在发生过程中，这些过程的各种迭代和组合如何产生形态特征？以脊椎动物心脏发生为具体例子。脊椎动物心脏，包括其内部和外部形状和结构是如何在发生过程中形成的（Harvey 2002）？心脏是如何在体腔中表现出左右不对称性的？是什么导致细胞采取肌肉细胞命运或某些组织在心脏潜在区域相互作用？肌肉细胞如何迁移、聚集并在正确位置分化？心脏内部如何采取具有不同心室的特定管状结构（在脊椎动物物种之间有所不同）？心脏如何以特定速率增长并达到特定大小？解释形态发生的相关解决方案表征了解释不同过程发生并产生各种结果的因果因素（第 3 节）。

发育机制

发育机制是在个体发育过程中起作用的机制或过程（参见 McManus 2012 进行讨论）。至少可以区分两种不同类型的发育机制（Love 2017a）：分子遗传机制（信号传导或基因调控网络；第 3.1 节）和细胞-物理机制（细胞迁移或上皮内陷；第 3.2 节）。在过去的二十年中，关于科学中机制和机械解释的哲学探讨显著增长（Craver 和 Darden 2013；Glennan 和 Illari 2017；Illari 和 Williamson 2012）。在科学机制的不同解释中，可以辨认出四个共同要素：（1）机制的作用，（2）其组成部分，（3）其组织，以及（4）其操作的时空背景。发育解释试图通过各种实验干预来描述这四个要素。这些要素共同构成了描述两种不同类型的发育机制的模板。

一个成熟的分子遗传机制是果蝇中段的初始形成，这是由基因表达的段极性网络所致（Wolpert 等人 2010，70-81；Damen 2007）。在发育的第 8 阶段（受精后约 3 小时），果蝇胚胎具有 14 个由早期阶段的对规则基因表达定义的副节单位。转录因子 Engrailed 在每个副节的前部积累。这启动了一系列定义每个细胞区域边界的基因活动，最终将成为一个段。这种活动的一个元素是在 Engrailed 积累的细胞带的前部表达 hedgehog，一种分泌信号蛋白，它标记了每个新生段的后部边界。这反过来激活了 wingless 的表达，另一种分泌信号蛋白，它维持了 engrailed 和 hedgehog 的表达，形成一个反馈循环，使段边界保持存在（图 4）。段极性网络展示了机制的所有四个共同要素。它由许多部分（例如 Engrailed、Wingless、Hedgehog）和活动或组件操作（例如，信号蛋白结合受体，转录因子结合 DNA 并启动基因表达）构成，这些部分组织成相互关系的模式（反馈环路、信号传导途径）在时空背景内（在果蝇胚胎的副节中，受精后约 3 小时）以产生特定的行为或现象（一组具有明确定界的不同段）。

图 4：果蝇胚胎分节过程中的无翅膀和刺猬相互信号传导。

接下来，考虑分支形态发生的细胞-物理机制，指的是细胞增殖和移动的组合，形成肾脏、肺部、腺体或血管等器官的类似分支结构。有许多类型的分支形态发生，但一个主要机制是上皮细胞的折叠，涉及细胞在结构的不同位置内陷，形成分支（Davies 2013，第 20 章）。不同的细胞-物理机制可以产生导致分支结构的内陷（Varner 和 Nelson 2014）：上皮细胞柱的一端收缩（“顶端收缩”）；一层上皮细胞的细胞增殖增加相对于另一层的情况（“差异生长”）；上皮细胞的压缩导致周期性内陷（“机械屈曲”）。不同的机制可以导致相同的形态结果，这意味着在胚胎环境中很难辨别哪种机制在起作用。分支形态发生还展示了机制的四个共享元素。这些部分是具有活动或组件操作的细胞和组织（例如，顶端收缩、差异生长、机械屈曲）被组织成相互关系的模式（顶端收缩导致上皮内陷）在时空背景下（在果蝇胚胎的气管前体中，大约在第 7 和第 8 阶段）。这种组织产生了特定的行为或现象（一组分支结构——气管）。

一旦这些类型的发育机制被区分开来，几个概念问题变得突出。第一个问题涉及两种机制在个体发育过程中如何相互关联，以及不同的调查方法是否成功地提供了它们的综合说明（第 3.3 节）。第二个问题是它们不同的普遍模式。分子遗传机制由于进化下降的结果，在系统发育上是广泛保守的，而细胞-物理机制由于共享的物理组织而广泛存在，而不是由于进化下降（Love 2017a）。这些模式的分歧促使发育生物学家进行明确的认识论反思。

发育生物学的认识论组织

在对发育进行长期调查的历史中，一个经常出现的主题是解释形态的发生包含许多关于不同现象的相互关联问题（第 1.2 节）。有时哲学家试图将这些问题压缩成一个广泛的问题。

关于后生动物发生的真正问题只是一个单细胞如何产生所需数量的分化细胞系列，以及所有正确的诱导发育相互作用，以重现成熟生物体的形态的问题（Moss 2002: 97）。
发育生物学的中心问题是理解一个相对简单和同质的细胞团如何分化为一个相对复杂和异质的生物体，在相关方面与其祖先(s)密切类似（Robert 2004: 1）。

这种语言并不一定是错误的，但可能导致偏颇的解释。例如，Philip Kitcher 曾经争论道：

在当代发育生物学中，存在着……关于如何聚焦这个大而模糊的问题“生物体是如何发育的？”的不确定性（Kitcher 1993: 115）

这纯属虚构。虽然这些问题在历史上以不同的频率和力度表现出来，回答这些问题的能力（以及问题本身的性质）取决于不同的研究策略和方法，但这个问题并不是一个难以控制的核心问题。但是，审视发育生物学问题的结构不仅仅是澄清的一种练习。这对于理解发育生物学科学是如何组织的至关重要。

2.1 发育理论不存在吗？

虽然在哲学中将科学与理论联系起来是很常见的，即科学的个体化取决于一个构成性理论或一组模型，但很少见到发育生物学的呈现提到发育理论（参见 Minelli 和 Pradeu 2014 中的讨论）。相反，我们发现提到了一系列方法（发育遗传学，实验胚胎学，细胞生物学和分子生物学）或“关键分子组分”目录（转录因子家族，诱导因子家族，细胞骨架或细胞粘附分子，以及细胞外基质组分）。在主要教科书中没有任何标准理论或一组模型提供理论支撑（例如，Slack 2013; Wolpert 等人 2010; Gilbert 2010）。对发育理论或一些核心解释模型的任何提及的缺失是显而易见的令人困惑的。对这种情况有三种解释：（a）尽管没有提及理论，但可以从相关话语中重建发育生物学的理论（例如，多个相关的分子模型）；（b）对理论的缺乏表明发育生物学尚未成熟，因为成熟的科学总是有系统的理论；以及（c）对理论的缺乏应该直接理解。

发育生物学并非一门不成熟的科学，摸索着某种解释其现象的方式：“胚胎发育的一些基本过程和机制现在已经被很好地理解了”（Slack 2013: 7）。对这种解释方式的推动源于对一种成熟科学概念的承诺，即假定理论是具有少量定律或核心原则的抽象系统（参见有关科学理论结构的条目）。另一方面，认为发育生物学已经有一种穿着不同外衣的理论——尽管发育生物学家并未如此称呼它——是一种可能的解释。这源于一种观点，即科学必须具有理论，这一观点已被扩展以允许对理论结构的不同理解，例如没有定律的模型星座，尽管假设是理论仍在引导研究中发挥类似的组织作用。然而，在发育生物学的情况下，这种假设应该在方法论上受到挑战和拒绝。对科学推理的分析应该展示认识透明度，而不是假设“隐藏”的推理结构（Love 2012）。这一标准基于这样一个前提，即科学探究成功的基础必须为从事实践的人（即科学家）所掌握。如果我们假设存在不在科学话语中的隐藏结构来解释归纳推理、解释或其他形式的推理，那么我们就有可能模糊科学家们如何访问这一结构以评估它（Woodward 2003: ch. 4）。从参与者的角度来看，发育生物学的成功将变得神秘。

认识透明度要求哲学对科学实践的描述性对应。这并不意味着任何科学家提出的任何主张都应该被同等看待。一个主要关注点是实践的普遍特征。假设需要定律来进行解释的问题在于这些定律在许多成功的科学中相对缺乏，这些科学通常提供解释，而不是没有科学家会诉诸定律作为解释。科学实践的普遍特征应该在科学哲学的描述中占据重要地位。因此，不足为奇的是，在一些发育生物学家中可以找到对理论的渴望：“为任何学科发展理论至关重要”（Sommer 2009: 417）。但这些呼声很少的事实意味着我们不应假设理论实际上是需要来管理和组织领域内的探究。

曾经有人认为，每门科学都必须有法则才能提供解释（见科学解释条目），但现在这被视为不必要（Giere 1999; Woodward 2003）。期望一门科学有一个理论来完成组织和引导研究的任务的想法同样古老。这源自对什么才算是成熟科学的直觉期望。即使我们发现了在没有系统理论框架提供指导的情况下取得了经验成功和连贯研究传统，那么这门科学就不能算是成熟的。我们可以通过提出更灵活的理论和理论结构概念来摆脱这些准实证主义对成熟性的呼吁。但为什么要保留理论应该完成相同认识任务的期望呢？这是对知识结构的一种先入之见，考虑到各科学领域发现的研究实践的多样性，这种先入之见是站不住脚的。那些支持这种哲学回应的少数科学家有不同的动机。与成熟性不同，其他原因更为显著，比如在面对大量生化细节时提供指导，或者需要在进化和发育之间建立综合。[5]

发育生物学家认识到“细节的诅咒”是过去三十年发育生物学取得迅猛成功的代价之一：“今天的主要挑战是指数级增长的细节”（Slack 2013: ix）。虽然某种东西必须为发育生物学提供组织和指导，但不一定是理论来完成这一任务。关于合成进化和发育的呼声，这些呼声经常假定拥有一个发育理论是合成的前提（Sommer 2009）：“我们的困扰……源自我们一直缺乏明确的发育理论”（Minelli 2011a: 4）。然而，这种论点依赖于进化理论展示的程度，即发育生物学家应该追求的假定结构。与进化理论相关的实际实践表明了一个更具有变色龙特质的灵活框架，可以根据进化研究人员的多样化调整研究目标（Love 2013）。因此，不清楚进化理论是否提供了首选模板。前进的一个有效方式是放弃先前的期望，即科学必须具有某种类型的理论来管理和指导其活动。相反，应该研究表现出经验成功和多产性的科学，以发现负责的特征，而不要假设这些特征对所有科学都是相同的：“科学无需用这些术语来理解，事实上，用其他术语来理解可能更好”（Giere 1999: 4）。

发育生物学的认知透明度标准（第 2.1 节）鼓励探索我们的第三种解释选择——不涉及理论应被直接接受。发育生物学主要由稳定的广泛问题领域组织，这些问题领域对应于主要的发生过程的抽象表征（分化、图案形成、生长和形态发生；第 1.2 节）。然而，我们如何解释发育生物学的“理论”方面（例如，图案形成的位置信息模型）以及利用其他领域理论（例如，生物化学）？一种方法是区分理论启发科学——使用理论知识——和理论导向科学——具有指导性理论的研究和知识组织（Waters 2007b）；发育生物学是理论启发的，但不是理论导向的。理论不必完全缺席于发育生物学，但是——当存在时——它们扮演着与标准哲学期望非常不同的角色。发育生物学在解释建立片段或调用反应扩散机制解释色素图案时，使用来自生物化学的理论知识，例如形态因子梯度。它还使用来自发育生物学内部的理论知识，例如位置信息模型。不同类型的理论启发发育生物学，但这些理论不组织研究——它们不是必要的结构知识和指导调查活动。发育生物学家并非专注于证实和扩展反应扩散机制理论，也不是通常围绕位置信息组织他们的研究。这些理论知识用于构建解释，但并不为如何进行研究计划提供指导。所有科学都可能使用理论知识，但这并不意味着所有科学都有提供方向和组织的理论。

为什么认为问题为发育生物学的认识论提供组织架构？它们是其推理实践的普遍特征，体现在捕捉关于解释标准、实验方法、基本概念和经验内容的实质社区共识的教科书中。与讨论自然选择理论的进化生物学教科书或讨论微观经济理论的经济学教科书不同，对几个主要教科书版本的检查表明，发育生物学没有类似的理论。

乔纳森·斯拉克（Jonathan Slack）的《Essential Developmental Biology》（斯拉克，2006 年，2013 年）围绕胚胎发育过程中发生的四种主要类型的过程展开，也被描述为问题的聚类组，这些过程包括区域特异性（模式形成）、细胞分化、形态发生和生长。然后，这些广泛的组被详细阐述在早期发育的标准时间线上，重点介绍了配子发生、受精、分裂、胚胎形成和轴向特异性（见第 1.2 节）。不同的实验方法（细胞和分子生物学、发育遗传学和实验胚胎学）被用于一组特定的模式生物（见下文，第 4 节），以解剖这些发育现象的运作。随后的章节涵盖了发育的后期方面（例如器官发生），不同的系统通过组织层、分化和生长深入探讨，或者与进化问题相关（见下文，第 5 节）。在这个展示过程中，没有特定的理论、假设集或主导模型被用来组织这些不同领域的调查。相反，反映一般划分过程（分化、特异性、形态发生和生长）的广泛问题组被设定为研究议程。

斯科特·吉尔伯特（Scott Gilbert）的《Developmental Biology》展示了类似的模式（吉尔伯特，2000 年 [2003 年，2006 年，2010 年]）。发育生物学由两个广泛问题构成（“受精卵如何发展成成体？成体如何再生产另一个体？”），然后可以进一步细分为不同类别，如分化、形态发生、生长、繁殖、再生、进化和环境调节。这些问题可以更具分析性地解析为五个变量：抽象性、多样性、连接性、时间性和空间构成。赋予这些变量的值构建了研究问题的星座，这些问题对应于一般划分过程的广泛问题议程。例如，围绕斑马鱼胚胎形成的研究问题的结构方式与围绕脊椎动物神经嵴细胞迁移的研究问题的结构方式不同，因为它们涉及到五个变量的不同值：抽象性（斑马鱼与脊椎动物）、时间性（早期与晚期）、空间构成（组织层相互作用与细胞的独特群体）、多样性（上皮移行与上皮到间充质转变）、连接性（肠道形成和内胚层与器官发生和外胚层/中胚层）。这些配置可以根据不同变量的值的变化而轻松调整（洛夫，2014 年）。

这些问题的解剖学，具有从这些变量的不同价值中衍生的明确认识论结构，用于组织发育科学。来自不同学科的研究人员可能在解决同一个问题，但提出不同的问题，需要不同但互补的方法资源。发育生物学中的知识和探究是错综复杂的，只是不是由一个中心理论或一组模型组织，这种疑问性组织在认识论上是可以被参与的科学家接触到的。尽管理论知识，特别是从分子生物学机制（见分子生物学条目）和数学模型（例如，反应-扩散模型）中获得的知识是无处不在的（理论指导），但在教科书中反复出现的问题簇并对应于不同类型的过程提供了支配性的架构（非理论导向），可以根据所描述的变量明确地加以表征。对这一问题解剖学的进一步分析是可能的，包括它如何在常规研究文章中展示，而不仅仅是在教科书中，以及生物学的其他领域（例如，Brigandt 和 Love 2012）。

3. 发育的解释方法

发育生物学中的解释通常是因果关系的，尽管与标准的机械解释不同，通过发育过程（McManus 2012; Parkkinen 2014）不断获得新的因果能力（以构成实体、活动及其组织为基础）。尽管在表征发育生物学解释的不同方面方面仍有许多工作要做，但毫无疑问，因果关系或可操纵性概念（见因果关系和可操纵性条目）提供了推理的核心要素（Woodward 2003; Strevens 2009; Waters 2007a）。发育的遗传学解释（第 3.1 节），类似于分子遗传学中所见，通过识别基因表达的变化以及它们的 RNA 和蛋白质产物之间的相互作用，导致在个体发育过程中形态特征的性质发生变化（例如，形状或大小），同时保持各种上下文变量不变。最近，对发育的物理解释（第 3.2 节）越来越感兴趣，涉及到由中等尺度材料的几何排列引起的机械力的呼应，例如流体流动（Forgacs 和 Newman 2005）。研究人员就需要解释的现象达成一致（第 1.2 节和第 2.2 节），但在物理规则或遗传因素更具解释性方面存在分歧（Keller 2002）。发育现象存在两种不同类型的因果解释，这提出了一个额外的问题，即如何将它们合并成一个更完整的解释框架（第 3.3 节）。

发育生物学

在过去的二十年中，许多哲学家转向发育的解释，试图评估或贬低关于基因因果力的主张（Keller 2002; Neumann-Held and Rehmann-Sutter 2006; Rosenberg 2006; Robert 2004; Waters 2007a）。遗传学解释涉及哲学上的还原主义主题，并似乎构成了过去几十年发育生物学取得的大部分经验成功的基础。发育生物学家的陈述强化了这一观点：

发育生物学...处理受精卵中的基因控制胚胎细胞行为的过程，从而决定其模式、形态和行为的大部分内容...差异基因活动控制发育。（Wolpert et al. 1998: v, 15）

这些类型的陈述有时在呼吁发育的遗传程序时被放大。

[基因组的元素] 包含了发育的序列特异性编码；它们决定了发育过程的特定结果，从而决定了每个胚胎产生的动物的形态。… 发育是执行给定生物种类的遗传程序以构建的过程 (Davidson 2006: 2, 16).[ 11]

在其他时候，有些陈述集中于遗传学作为本体发生中的主要因果定位：“发育复杂性是特定基因组的空间特异性表达的直接产物，正是在这个层面上我们可以探讨发育中的因果关系” (Davidson and Peter 2015: 2)。这些陈述是否能够得到证实一直是激烈辩论的焦点。[ 12] 关于遗传程序或遗传对发育的控制的最强烈主张存在实证和概念上的缺陷，包括忽视可塑性和环境的作用、对因果代理位置的模糊以及依赖于计算机科学中的隐喻 (Gilbert and Epel 2009; Keller 2002; Moss 2002; Robert 2004)。然而，这保留了分子遗传学中展示的遗传解释的差异原则，这种原则在受控实验条件下提出了更狭窄和精确的因果主张，并适用于在发育过程中发挥因果作用的各种分子实体，如调控性 RNA、蛋白质和环境信号。我们可以通过重新考虑脊椎动物心脏发生的例子来简要观察这一点 ( Section 1.2)。

基因包含形成脊椎动物心脏所需的所有信息是否存在问题？DNA 中是否有控制心脏发育的遗传程序？基因是否是心脏发育的主要供应商和组织者，从根本上决定表型结果？对心脏发育的现有研究已经确定了流体力在指定心脏内部形态（Hove 等人，2003 年）和左/右不对称性（Nonaka 等人，2002 年）方面的作用。细胞外钙的生化梯度负责激活调控基因 Nodal 的不对称表达（Raya 等人，2004 年），电压梯度的抑制扰乱了正常不对称性的建立（Levin 等人，2002 年）。诸如微环境硬度之类的机械线索对于从迁移细胞向有序片层的关键转变在心脏形成过程中至关重要（Jackson 等人，2017 年）。在这些过程中，一些基因显然起着关键作用（Asp 等人，2019 年；Srivastava，2006 年；Brand，2003 年；Olson，2006 年），但得出基因携带生成心脏形态特征所需的所有信息的结论似乎是不合理的。虽然在某些情况下，根据经验，将 DNA 序列差异视为本体发育特定过程中的因果因素（Waters，2007a 年）可能是合理的，例如，Hierarchically organized networks of genetic difference makers explaining tissue specification（Peter 和 Davidson，2011 年），但在分子遗传学中诉诸的实体的多样性以及它们在指定发育结果中的个体和共同作用的程度意味着关于遗传解释的意义、范围和力量的争论将继续（Griffiths 和 Stotz，2013 年）。然而，从遗传程序和遗传决定论转向 DNA、RNA 和蛋白质作为差异制造者，它们共同运作的观点表明，我们应以类似的方式概念化其他因果因素。

3.2 物理学

流体流动作为一种物理力量，在心脏发育以及更普遍的胚胎发育过程中也起着重要作用，发育生物学家借助物理差异制造者，这些差异制造者被理解为产生发育现象形态特性的因素（Forgacs and Newman 2005）。物理因果关系方法在 19 世纪晚期的威廉·希斯（Hopwood 1999, 2000; Pearson 2018）的研究中展现出来，尤其在 20 世纪初的达西·汤普森等人的研究中尤为明显（Thompson 1992 [1942]; Keller 2002: ch. 2; Olby 1986）。这发生在越来越多关注染色体遗传理论以及尝试通过经典遗传方法探索发育现象的背景下（Morgan 1923, 1926, 1934）。汤普森提出了不同生长速率和几何关系约束来解释有机体形态的起源。通过无生物、机械类比的视觉表现提供了合理性，比如液体飞溅的形状或悬挂滴对应于水母游泳阶段的杯和钟形构造。如果物理力量在粘弹性材料中产生特定形态，那么活体物种中的类似形态应该用作用于发育胚胎的粘弹性材料的物理力量来解释。然而，产生形态的形态发生过程在过去半个世纪中主要，如果不是完全地，被视为遗传学的术语。随着分子遗传学方法的不断壮大，物理方法逐渐淡出（Fraser and Harland 2000）。

实验胚胎学的分子化是当代生物学最引人注目的成功故事之一，因为基因和基因相互作用（例如，在转录网络和信号通路中；见第 1.3 节）被发现是形成发育过程中结构的细节、形态生成、图案形成和生长的基础。遗传方法在当代发育生物学中占主导地位，物理因果关系方式经常被忽视。对于对胚胎发育中的物理因果关系感兴趣的研究人员的挫折感是明显的。

对于分子类型来说，原因是一种分子或基因。解释现象就是识别基因并表征蛋白质，没有这些基因或蛋白质，现象将失败或异常。分子是一种解释：力量是一种描述；认为相反会引起怜悯，充其量（Albert Harris to John Trinkaus, 12 March 1996; Source: Marine Biological Laboratory Library Archives）。

尽管遗传解释方法占主导地位，研究人员利用其他方法感到沮丧，但对发育的物理解释引起了广泛兴趣，特别是在与遗传解释的整合方面（Miller and Davidson 2013; Newman 2015）。一些哲学家认为，对物理因素的生物力学建模构成了对生物学中某些形式的还原解释的拒绝（Green and Batterman 2017）。

3.3 整合方法：遗传学和物理学

汤普森认为物理力量具有解释性，但单独来看是不足以解释形态的发育起源的；遗传（遗传学）也是一个必要的因果因素。[13] 然而，汤普森迅速指出，在人们越来越关注遗传（遗传学）的同时，机械性因果模式可能会被忽视：

这种夸大也同样不可忽视，如果我们完全忽略这些直接的物理和机械因果方式，只把骨头的特征看作是变异和遗传的结果。(Thompson 1992 [1942]: 1023)

尽管这种后一种夸大形式在 20 世纪大部分时间里表现出来，但现在明确提出了将这两种方法结合或整合的议程。[14]

关于遗传和物理因果方式是否同时起作用，没有争议：

胚胎的物理和生化信号通路都对生物体的形态产生影响。 (Von Dassow et al. 2010: 1)

它们并不是相同现象的竞争性因果解释。解释应该捕捉到它们之间的生产性互动如何产生发育结果：

越来越多的例子指向一些发育基因的表达与形态发生运动相关的机械力之间存在相互作用。 (Brouzés and Farge 2004: 372)

遗传原因可能导致物理因果，反之亦然。物理因果通过力学传导带来遗传因果。拉伸、收缩、压缩、流体剪切应力以及其他物理动力被细胞内外的不同分子组分感知，这些分子组分将这些环境变化转化为生化信号（Hoffman 等，2011 年；Wozniak 和 Chen，2009 年）。遗传因果通过创造细胞和组织的不同物理特性，通过特定蛋白质的存在、缺失或频率变化而导致物理因果。例如，细胞粘附分子（例如，钙粘蛋白）的不同表达模式可以导致组织上皮层之间的差异粘附，从而通过表面张力变化产生相分离或区隔（Newman 和 Bhat，2008 年）。如果这些因果模式不是相互竞争的话，那么如何将遗传和物理差异制造者结合成一个综合的因果解释呢？对于这种“相互作用”的解释能达到多少统一性？

寻找用于解释遗传学和物理学整合的哲学模型仍然是一个悬而未决的问题（Love，2017b）。在确定相对贡献的意义上分配因果责任（例如，在牛顿力学中不同物理力量的因果量的组成）是有问题的，因为这需要就因果如何产生效果而言的可比性（Sober，1988 年）。在以差异制造者的概念理解因果的背景下，整合的困难是对约翰·斯图尔特·密尔所指出的因果推理问题的一种变体，被标记为“效果的混合”，这涉及多个因素以混合方式贡献以产生结果。

这种困难在生理现象的情况下尤为明显；很少可能分离出共同构成有机体的不同机构，而不破坏我们要研究的现象本身。（密尔，1843 年 [1974]：456 [第 3 卷，第 11 章，第 1 节，第 7 段]）

仔细的实验统计方法可以回答一个问题，即某种差异制造者是否在特定人群的效应变量的变异中占更大比例。但是，关于差异制造者排名的问题并不等同于将两种因果模式合并为一个综合解释。另一种回应是通过将所有因果相互作用简化为两种截然不同的模式之一来解决整合问题，从而实现某种解释统一性（Rosenberg 2006）。然而，这种方法被工作生物学家所回避，他们认为遗传和物理两种因果模式都很重要，彼此之间不能简化为一种。

另一种策略是整合性多元主义（Mitchell 2002）。这涉及一个两步程序来解释复杂现象，其特征是由多种原因造成的：（a）制定理想化模型，其中特定的因果因素独立作用（“理论建模”）；以及（b）整合理想化模型，解释特定的具体现象是如何由这些原因组合而来的。这种模型具有启发性，但也存在关键缺点，包括发育生物学中的遗传因果推理通常不涉及理论建模，以及整合的具体性质未明确。将遗传和物理差异制造者整合到一个机制中提供了另一种可能性（Darden 2006；Craver 2007）。尽管这有助于突出差异制造者在序列中通过阶段之间的生产连续性（即它们的相互作用）的重要性，但也存在缺点。

对于测量时间的不同方法。与其测量“在机制中”的时间，不如用外部标准化阶段来衡量时间（见下文，第 5.2 节）。阶段有助于研究不同种类的发育机制，这些机制具有不同的阶段特征速率和持续时间，在一个模式生物（例如果蝇）的共同框架内，同时也允许在不同物种中研究保守的分子机制，因为相应的机制描述不是锚定在模式生物的时间序列上。
机制描述期望“底层”于分子实体的最低层次活动（Darden 2006）。在结合遗传和物理差异制造者的情况下，相互作用的互惠意味着在一种或另一种因果模式中避免底层化的刻意。
机制的稳定、组成性组织要求：

机械解释是构成性或组成性解释：它们以组件的有序活动和相互作用来解释机制整体的行为（Craver 2007: 128）.

但这些机制描述通常嵌入在不同的发育背景中（在胚胎发育的不同时期），具有不同的组成关系（在物种内部和之间）。遗传和物理差异制造者之间的相互作用并没有得到精确维持，因为这些组成差异改变了物理因果关系（流体流动、张力等；见第 1.3 节）。发育生物学家已经能够广泛概括遗传因果关系（以遗传机制为基础；见第 1.3 节）跨物种，但试图将这些与物理因果关系结合起来却需要缩小因果主张的范围。

哲学上充分的模型需要解释遗传和物理差异制造者在胚胎发育中的系统依赖关系，以说明用于提出因果主张的时间关系如何锚定在发育生物学家使用的外部时期划分中。不同时间尺度的强加可能导致不同因素具有重要性或显著性，这对确定如何将不同类型的原因结合成综合解释至关重要。一种可能性是通过实验验证将这些差异制造者在不同阶段并置，以便它们在外部时期划分的约束内展现出生产性的连续性（Love 2017b）。这有助于代表因果因素之间的对称性，因为遗传差异制造者可以放置在物理差异制造者之前或之后（反之亦然）。尽管这并不提供结合因果量的方法（如牛顿力学中的矢量相加），但它提供了一种通过时间组织的工具在不同类型的原因之间分配责任的明确策略，超越了对差异制造者进行排名。时期划分作为发育生物学家实践的模板，为不同类型的因果方式提供整体性或统一性，从而产生一种综合解释，解释了从一系列发育过程中产生的形态学。

不是所有类型的因果解释都涉及外部时期划分，还有其他方式可以结合原因以产生更一体化的解释框架。正在分析发育现象的组合解释的一个领域涉及系统生物学中的机制描述和数学建模（Brigandt 2013; Fagan 2013）。例如，Fagan（2013 年：第 9 章）展示了一个综合解释是如何从一个分步过程中产生的，该过程从分子机制的详细描述开始，然后制定一个组件相互作用的抽象接线图，然后将其转化为能够解释随时间组件相互作用变化的方程系统。这些方程系统的解以及将系统组件之间的相互作用解映射到整个系统行为的共享景观表示更系统地解释了细胞分化。

4. 发育研究的模式生物

模式生物对当代生物学和胚胎发生研究至关重要（Ankeny 和 Leonelli 2011; Steel 2008; Bier 和 McGinnis 2003; Davis 2004）。生物学家仅利用少数几种物种来实验性地阐明发育的各种特性（例如，秀丽隐杆线虫，果蝇和斑马鱼；见图 5）。这些实验模型使研究人员能够深入研究发育，并促进对因果关系的精确剖析。批评者质疑这些模型是否是其他物种的良好代表，因为它们的选择涉及固有偏见，例如快速发育和短世代时间（Bolker 1995），以及对基因功能和调控网络保守性的问题假设（Lynch 2009）。例如，秀丽隐杆线虫的胚胎发生在模式形成和细胞特异性方面并不代表线虫（Schulze 和 Schierenberg 2011），斑马鱼附肢形成并不是四足动物附肢发育的良好代理（Metscher 和 Ahlberg 1999）。

Drosophila melanogaster (the common fruit fly) 是发育生物学中使用的标准模式生物之一。

对这一批评的一个回应是强调所有动物共享的保守遗传机制，尽管在发育现象上存在差异 (Gerhart and Kirschner 2007; Ankeny and Leonelli 2011; Weber 2005)。果蝇可能在表现出合胞体发育方面不具代表性，但它们利用 Hox 基因的共线表达来指定其前后体轴。这一回应表明，无论整个模式生物本身是否具有代表性都是一个过于粗粒度的标准，无法捕捉到其使用背后的理由。我们必须询问代表性是相对于什么而言的，一些观点已经朝着这个方向发展。Jessica Bolker 区分了典范和替代性代表模式 (Bolker 2009)，前者通过作为更大群体的典范来为基础研究提供服务，后者对应于旨在间接实验研究无法直接获得的现象的模式，例如人类心理障碍的小鼠模型 (例如，抑郁症)。替代模式被采用在生物医学背景下，其中感兴趣的现象在人类中得以体现。大多数发育生物学家将模式生物视为典范，而非替代物。[ 15] 因此，为了回应对非代表性的批评，必须更详细地探讨代表性的标准。[ 16]

关于模式生物的一个基本假设是，它们与更大群体的动物之间存在适当的相似关系。这一假设是对科学中旨在代表现象的模型进行一般性讨论的具体实例。模式生物代表那些很少被研究或根本没有被研究的物种的发育现象：“我们研究果蝇和青蛙作为动物发育的例子” (Nüsslein-Volhard 2006: 87)。将它们视为典范的信心来源之一源自对发现的演化保守模式的归纳推断，涉及发育现象 (例如，胚胎形成或体节形成)。如果所有或大多数模式生物共享一个发育特征，那么所有或大多数动物也将共享这一特征。这种推断可以更广泛或更狭窄地界定 (例如，如果所有或大多数脊椎动物模式生物共享体节形成，那么所有或大多数脊椎动物也将共享它)。

作为这种信心的结果，模式生物体（“源”）可以代表这些其他未被研究的物种（“目标”）。在使用模式生物进行推理时，模式或源与其所代表的现象或目标之间的基本区别是普遍存在的（Ankeny 和 Leonelli，2011 年）。斑马鱼是脊椎动物发育的模式或代表，目标现象，因为我们期望通过专门研究斑马鱼的个体发育来了解脊椎动物的发育。我们之所以投入时间和资源研究斑马鱼作为模式生物体，并不仅仅是因为我们对斑马鱼感兴趣。研究人员计划通过观察斑马鱼中的体节形成来提出关于其他我们永远没有时间或金钱去研究的脊椎动物中体节形成的主张。

发育生物学家经常谈论研究解释个体发育现象的机制（见第 1.3 节），并专注于模式生物体中保守的遗传和细胞机制（Gerhart 和 Kirschner，2007 年；Ankeny 和 Leonelli，2011 年；Weber，2005 年）。这表明了在发育现象方面的代表性与在发育中运作的遗传和细胞机制方面的代表性之间的区别。如果我们对解释心脏（现象）如何发育感兴趣，那么我们可能会研究斑马鱼个体发育过程中心脏区域中发生的分子或细胞机制。尽管这些现象不同，但其中一些机制可能是保守的。果蝇只有一种心脏细胞类型，没有神经嵴细胞，心脏没有心房或心室的形态（Kirby，1999 年）。然而，到目前为止，所有被研究的无脊椎动物和脊椎动物的心脏发生基本上取决于同源框基因 Nkx2-5/tinman 的表达（Gajewski 和 Schulz，2002 年）。反之亦然：相似的现象可能会表现出来，但遗传和细胞机制可能会有所不同。两栖动物通过内陷过程（上皮片的折叠）形成神经管（神经化），而硬骨鱼通过空洞化过程（细胞死亡使组织块中空出）形成神经管。神经管在脊椎动物中是同源的（即，是一个保守的现象），但涉及内陷与空洞化的细胞和遗传机制是不同的（Davies，2013 年：第 4 章）。

发育生物学中现象与机制之间的区别假定了特异性；即，在评判源（模型）与目标之间的关系时，会考虑特定的现象（脊椎动物中的分节形成）或机制（共线 Hox 基因表达）。但动物发育包括许多涉及大量不同机制的过程。因此，在代表性标准中运作的另一个区别涉及在选择和使用模式生物时的特异性与多样性问题。一个模型可能代表一种类型的目标现象（分化或生长）或机制（细胞信号传导或细胞周期），但不代表其他类型的现象或机制——特异性——或者在特定类型的现象或机制方面表现得更好或更差。一个模型可能同时代表几种类型的目标现象和机制——多样性——每种类型的代表方式可能存在差异。在模式生物中如何共同实例化不同现象或机制方面存在权衡。需要注意的是，实验生物可能同时根据多样性和特异性进行选择，例如，当一位生物学家在研究特定现象时打算未来使用相同模型研究其他现象。它们也可能根据这两个方面中的一个为主要因素进行选择。一个模型可能是理想的，如果它在机制和现象方面具有代表性的多样性，即使它并不是每种特定机制或现象的最佳代表。相反，一个模式生物可能是理想的，如果它是特定机制的最佳代表，尽管它对其他现象或机制的模拟效果很差。多样性表明“整个生物体”是模型。[17] 还可以引入“模式生物”和“实验生物”（Ankeny 和 Leonelli 2011）或“一般模式生物”和“Krogh 原则模式生物”（Love 2010）之间的进一步区别。一般模式生物是根据代表性标准的多样性方面进行选择和使用的；实验或 Krogh 原则模式生物是根据特异性进行选择和使用的。

其他与表征标准相关的问题包括个体细胞或细胞类型如何作为发育模型（Fagan 2016），不同模式生物中的发育机制如何进行比较和评估（Yoshida forthcoming），使用模式生物构成案例推理的示例（Ankeny 2012），以及模式生物如何涉及理想化或已知离开模型目标特征的实验室培育结果（Ankeny 2009; Section 5.2）。此外，表征问题并非是理解模式生物使用的唯一问题。因为模式生物被用于实验干预，表征问题必须与操纵问题并置（参见《模式生物和操纵》的补充）。

5. 发育与进化

发育与进化之间的关系复杂且正在持续调查中（有关综述，请参阅 Love 2015）。在一系列研究项目中，有两个主要轴心（Raff 2000; Müller 2007）：（a）发育的进化，即对本体发育如何变化和随时间变化的模式和过程进行探究；以及（b）进化的发育基础，即对本体过程对进化轨迹的因果影响进行探究，无论是约束还是促进。本文讨论了发育生物学和进化生物学的概念和实践相交的两个例子：在发育遗传学中对功能同源性的问题，这是为了支持关于本体发育的进化概括（第 5.1 节），以及在发育研究中使用正常阶段和确定表型可塑性的进化意义之间的紧张关系（第 5.2 节）。这些案例揭示了发育和进化如何相互关联的一些哲学问题。

发育遗传学中的功能同源性

Hox 基因在轴向图式中的保守作用被称为在动物中具有功能同源性（Manak 和 Scott，1994），超越了 DNA 序列之间的结构同源性关系。然而，“功能同源性”这一术语本身存在矛盾（Abouheif 等人，1997），因为同源物的定义是“不同动物中的相同器官在各种形态和功能下都相同”（Owen，1843：379）——同源（结构）和类比（功能）之间的后代、进化上的区别正是基于这一认识。因此，功能同源性的概念在理论上显得混乱，并且在分子发育生物学家的使用中存在概念上的紧张关系。

图 6：脊椎动物的翅膀作为前肢是同源的；它们是由共同祖先从相同结构演化而来。脊椎动物翅膀的功能（即飞行）是类比的；尽管翅膀具有类似的功能，但它们在飞行中的作用是分别演化的。

欧文(Owen)在其定义中提到的“器官”一词表明了一种在生物体中发现的结构(实体)，这种结构可能在形状和组成(形式)或其所用途(功能)上在其所在物种中有所不同。将其转化为进化背景下，同一性是通过参考共同祖先来解释的。由于结构也可以因自然选择在相似环境中起作用而相似，同源性与类比性形成对比。同源结构是由于从共同祖先传承而来，而不管这些结构所涉及的功能是什么，而类比结构是由于选择过程有利于类似的功能结果，而不管是否有共同的传承(图 6)。

这就是使功能相似性成为同源性的一个特别棘手的标准(Abouheif 等人，1997)。因为功能相似性是类比的适当关系，对于类比来说，类似功能不需要由于共同祖先而具有相同的功能——尽管具有不同起源的相似性就足够了(Ghiselin，2005)。类比的经典案例涉及不共享展现该结构的近期共同祖先的分类单元，比如海豚和金枪鱼的外部体态形态(Pabst，2000)。因此，功能同源性似乎是一个范畴错误，因为一个结构的功能不应该成为同源对应和功能相似性评估的一部分，而功能的相似性往往是通过自然选择适应共同环境需求的结果，而不是共同祖先。

尽管我们可能倾向于简单地禁止功能同源的术语，但其在分子和发育生物学中的广泛使用至少应该让我们停下来思考 [18]。虽然重视这种普遍实践很重要，但有些情况可能是不当的。在物种之间交换结构同源基因以拯救突变或零表型并不是功能同源的真正标准，尤其是当几乎没有关注建立系统发育背景时。这使得一些功能同源的主张成为可疑。为了避免概念上的紧张，必须明确关注“功能”的含义。生物实践至少包含四种不同的功能含义(Wouters，2003，2005)：活动(某物的作用)，因果作用(对能力的贡献)，适应优势或生存能力(拥有某物的价值)，以及选择效应或病因学(通过自然选择的起源和维持)。关于哪种(如果有的话)最适合生物和心理推理的不同方面，或者最具一般性(即，是什么使它们都是功能概念？)的辩论一直存在(参见 Garson，2016 中的讨论)。在这里，问题是我们是否能够确定一个合法的功能同源概念。

如果我们要避免混淆同源性和类比性，那么适当的功能概念不能基于选择历史，这与类比概念相关联，并涉及特定类型的功能。同样，生存能力解释集中于特定类型的功能至关重要，因为它赋予了生存优势。任何依赖于特定类型功能的功能解释（因为它被选择或因为它赋予生存能力）都与同源性应关注“在每一种形式和功能的情况下”这一要求相冲突。因果角色解释强调了一个功能对系统能力的贡献。它也集中于特定类型的功能，尽管方式与选择效应或生存能力解释不同。只有一种活动解释（‘某物做什么’）强调功能本身，而不是它对系统能力的具体贡献和在更大背景中的位置。因此，最适合纳入功能同源性的含义是“活动功能”，因为活动功能至少有可能在每种情况下保持不变。对于由共同祖先导致的相同性的评估是单独进行的，与功能所扮演的角色（或其用途）无关，无论是以因果角色、适应优势还是选择历史的方式理解。活动功能可以被用于不同用途，同时通过共同血统共享（即同源）。更准确地说，功能同源性可以被定义为在每种形式和用途功能下不同动物中相同的活动功能（Love 2007）。这明确消除了困扰功能同源性的紧张关系。

在发育和进化中对调控基因功能进行仔细讨论时，认识到类似于活动功能和用途功能之间的区别（即基因在生物体内某一过程中所做的和所用于的区别）。

在研究调控基因的分子进化时，必须分开考虑它们的生化和发育功能。PAX-6 和 eyeless 的生化功能是作为一般转录因子（结合并激活下游基因），但它们的发育功能是它们在眼睛形态发生中的具体参与（Abouheif 1997: 407）。

生化功能是活动功能，发育功能是使用功能。这种区别有助于区分不同的进化轨迹。基因的生化（活动功能）通常是保守的（即同源），同时也可被利用来对不同的发育过程做出因果作用贡献（使用功能）。相同的调控基因在活动功能方面在进化上是稳定的，在使用功能方面在进化上是不稳定的。[20] 由此可推断，关于基因作为发育功能的使用功能同源的说法，与关于基因作为生化功能的活动功能同源的说法相比更容易受到怀疑，因为随着系统发育距离的增加，发育功能更有可能发生变化。

生化（活动）功能和发育（使用）功能的区别得到了同源性的分层方面的支持（Hall 1994）。一个调控基因在一个组织水平上定义使用功能，比如轴向图案，必须被视为在另一个组织水平上的活动功能本身，比如沿着体轴分化重复元素。（请注意，“组织水平”不一定是构成性的，因此“更高”和“更低”水平的语言可能不合适。）Hox 基因在轴向图案中的发育作用可能是由于它们的生化活动功能同源性而保守的，但 Hox 基因不是使用功能同源，因为这些发育作用。我们不再关注基因组分的活动及其在轴向图案中的因果作用，而是转向轴向图案的活动及其在胚胎发育中的其他地方（或其他时间）的因果作用。

引入一个概念上合理的活动-功能同源的想法并不是为了保持发育生物学的思想整洁。它有助于解释证据并限定所做的推论。例如，NK-2 基因参与中胚层特化，这是肌肉形态发生的基础。在果蝇中，特定的 NK-2 基因（tinman）的表达对心脏和内脏中胚层的发育都至关重要。如果敲除 tinman 并转基因替换为其脊椎动物同源基因 Nkx2-5，只有内脏中胚层的特化得以挽救；对心脏中胚层的调控则不行（Ranganayakulu 等，1998）。脊椎动物蛋白质的一个区域在多肽的 5'端附近存在足够的差异，以阻止其在心脏形态发生中的适当调控。脊椎动物 Nkx2-5 和果蝇 tinman 的 homeodomain（赋予 DNA 结合的序列段）是可以互换的。Nkx2-5 无法挽救心脏中胚层特化与差异 DNA 结合的活动-功能无关。两种物种中同源（同源）蛋白质的一个组成部分保留了与内脏中胚层特化相关的活动-功能同源性，但另一个组成部分（不是 homeodomain）已经发生了分歧。这个 homeobox 基因并不具有单一的使用功能（如预期的那样），但它也不具有单一的活动功能。对这些情况的任何充分评估必须承认将基因更细粒度地分解为工作单元，以捕捉真正的活动-功能保守。我们可以直接将活动-功能同源链接到基因内的结构基序，但并不一定整个开放阅读框架有单一的活动-功能。

通过消除关于功能同源的概念张力，发育生物学和进化生物学之间的概念张力对模式生物产生了直接影响（第 4 节）。活动-功能同源引导我们关注活动的稳定性或保守性。这种保守性表明，在研究模式生物中的机制时，将产生稳健和稳定的概括（第 1.3 节）。在发育生物学中广泛使用功能同源的目的正是针对这种问题，这解释了尽管存在概念上的模糊，但它在实验生物学中的持久性。关于分子信号级联的概括是由所观察到的协调生化活动支持的，而不是发育角色（尽管有时它们可能重合）。因此，从模式生物中获取的关于信号级联的活动-功能细节可以通过同源性推广到其他未研究的生物体，即使在其他物种中活动-功能的发育角色有所不同。

5.2 正常阶段和表型可塑性

所有推理策略都结合了独特的优势和潜在的弱点。例如，将系统分解为其组成部分以理解系统所表现的特征，促进了对局部组成部分的因果相互作用的解剖，同时淡化了与系统外部元素的相互作用（Wimsatt 1980; Bechtel and Richardson 1993）。有时，科学的描述和解释实践之所以成功，正是因为它们有意忽略了自然现象的某些方面或使用各种近似技术。理想化是科学家用来描述、建模和解释的一种推理策略，它有意偏离了已知存在于自然界中的特征。例如，细胞的内部空间经常被描绘为相对空旷，即使已知细胞内空间是拥挤的（Ellis 2001）；细胞体积的变量取一个已知为假的值（即相对空旷）。理想化涉及有意忽略属性的变化或排除特定变量值的各种方式，用于描述和解释目的（Jones 2005; Weisberg 2007）。

“正常发育”是通过抽象策略来概念化的，这些策略管理着发育过程中和跨发育有机体内在的变化（Lowe 2015, 2016）。在模式生物体中研究发育过程（第 4 节）通常是通过建立胚胎发育的一组正常阶段来执行的（见其他互联网资源）。从受精卵到完全成熟的成体的发育轨迹通过参考主要事件的发生，如受精、胚胎形成或变态（Minelli 2003: ch. 4; 见第 1.2 节），被分解为不同的时间段。这使得不同实验室环境中的研究人员可以对实验结果进行标准化比较（Hopwood 2005, 2007）。它们对于大量从事成熟模型研究的发育生物学家至关重要，例如鸡（Hamburger and Hamilton 1951）或斑马鱼（Kimmel et al. 1995）：“现在无法想象没有这样的标准系列的胚胎学研究”（Hopwood 2005: 239）。这些正常阶段是一种理想化形式，因为它们有意忽略了发育中的各种变化，包括与环境变量相关的变化。虽然有助于研究特定因果关系，但这意味着在使发育在实验上可追踪的过程中，发育特征中可能与进化相关的特定变化被最小化（Love 2010）。

发育可塑性是一种普遍存在的生物现象。它涉及特定基因型产生表型变异的能力，通常以定性不同的表型形式出现，以响应不同的环境刺激（Pigliucci 2001; DeWitt and Scheiner 2004; Kaplan 2008; Gilbert and Epel 2009）。一个熟悉的例子是依赖不同营养来源的季节性毛虫形态（Greene 1989）。一些相关的环境变量包括温度、营养、压力/重力、光线、捕食者或有压力的条件，以及种群密度（Gilbert and Epel 2009）。反应规范是给定基因型的生物体对不同环境条件展示的表型范围的总结，无论是在数量上还是在性质上变化。当反应规范展示不连续变异或双价表型（而不是数量上的连续变异）时，通常被标记为多型性（Figure 7）。

Figure 7: 美洲胡椒蛾幼虫中的颜色多型性，代表了发育可塑性的一个例子。

发育可塑性一直是生物研究人员关注的话题，并在进化理论中备受争议。在数量遗传学方法和表型选择分析的背景下，对发育可塑性进行了广泛研究，展示了自然种群中可塑性的程度，并为其检测确定了操作性措施（Scheiner 1993; Pigliucci 2001）。可塑性的其他方面需要不同的调查方法来确定发育过程中可塑性的来源、鼓励可塑性的分子遗传机制，以及基因型和表型之间存在的映射函数的类型（Pigliucci 2001; Kirschner and Gerhart 2005: ch. 5）。这些后者方面，即发育过程中和之后表型变异的起源，处于发育和进化的交汇点：分子遗传机制如何产生（或减少）可塑性？普遍或罕见的基因型-表型映射函数是什么？可塑性是否有助于进化新颖性的产生（Moczek et al. 2011; West-Eberhard 2003）？

为了在实验中评估这些问题，研究人员需要通过操纵环境变量来改变发育，并观察如何在生物体现有的可塑性内建立新的表型（Kirschner and Gerhart 2005: ch. 5）。这种操纵可以帮助识别通过可靠地复制不同环境条件下的特定实验改变而产生的变异模式。然而，如果不测量不同环境条件下的变异，就无法观察到表型可塑性。这些测量是必要的，以记录特定特征的可塑性程度及其模式，例如定性不同的形态。评估表型可塑性对进化的重要性需要回答关于可塑性产生的位置、分子遗传机制如何参与可塑性以及基因型-表型关系的问题。

发育阶段有意忽略与表型可塑性相关的变异。动植物在稳定的环境条件下培育，以便在不同的实验室环境中重现阶段，并且变异通常被视为必须减少或消除的噪音，以便了解发育的工作原理（Frankino and Raff 2004）。这种做法还鼓励选择表现较少可塑性的模式生物（Bolker 1995）。模式生物的实验室驯化也可能减少可观察的表型变异的数量或类型（Gu et al. 2005），尽管实验室驯化也可能增加变异（例如，通过近交）。尽管尝试通过控制环境因素来减少变异，但总会有一些变异保留下来（Lowe 2015），并且由于绝对年代学在个体发育中不是可靠的时间测量标准，其不同部分的开始或完成也不是（Mabee et al. 2000; Sheil and Greenbaum 2005）。发育阶段使得这种难以改变的变异可以通过胚胎典型性的判断有效地被忽视。正常阶段还涉及对不同阶段序列中不同过程之间因果关系的假设（Minelli 2003: ch. 4）。一旦这些阶段被构建，就可以将它们用作视觉标准，以便识别和描述变异作为与规范的偏差（DiTeresi 2010; Lowe 2016）。但更典型的情况是，在日常研究环境中，这些阶段的构建中忽略的变异也会在对阶段的例行磋商中被忽略（Frankino and Raff 2004）。

正常阶段实现了发育生物学家从事的描述性和解释性努力相关的多个目标（Kimmel 等人，1995 年）。它们提供了一种衡量实验复制的方法，使研究人员之间能够进行一致和明确的交流，特别是如果阶段建立在常见的可观察形态特征上，有助于准确预测发育现象，并有助于跨物种进行比较或概括。作为个体发生的理想化，正常阶段允许对发育事件进行全面分类，具有适当大小和相对均匀的阶段，阶段之间有合理清晰的界限，并在不同的调查条件下保持稳定（Dupré，2001 年），这鼓励在特定学科方法内提供更精确的解释（Griesemer，1996 年）。理想化还可以促进抽象和概括，这两者都是从模式生物的调查背景推断结果到其他领域的一部分（Steel，2008 年；见第 4 节和 5.1 节）。

伴随着实现这些调查和解释目标的正常阶段存在各种弱点。关键形态指标有时会重叠阶段，对于一个目的有用的术语可能对另一个目的具有误导性，特定术语在跨物种比较中可能具有误导性，并且为了持续观察而对胚胎进行操作可能会对个体发生产生因果影响。避免阶段指标的变异性可能会导致忽视这种变异的重要性，或者至少提供理由支持其最小化。

因此，采用正常阶段来分期模式生物发育是有充分理由的，这些理由有助于解释为什么它们的持续使用会取得实证成功。然而，类似于科学中其他标准（成功的）实践，正常阶段经常被视为理所当然，这意味着它们的偏见效应被忽视（Wimsatt 1980），其中一些与进化问题相关（例如，在人口中系统地低估变异程度）。这一点至关重要，因为分期的成功并不取决于最终能够放松理想化的能力；分期并不会慢慢纠正以使其变得不那么理想化。相反，新的分期被构建并与现有的分期一起使用，因为不同的理想化涉及对典型性的不同判断，这些判断服务于多样的描述性和解释性目的。除了发育分期中涉及的系统偏见之外，大多数模式生物都不适合告诉我们环境效应如何调节或与遗传或其他因素在发育中结合——它们使我们难以发现底层反应规范机制的细节。短的世代时间和快速的发育与通过各种机制（如预定型）对环境条件的不敏感紧密相关（Bolker 1995）。

模式生物中发育分期的具体实践与揭示由于表型可塑性而产生的变异的相关性之间的紧张关系可以重构为一个论点。

由于表型可塑性而产生的变异是发育的正常特征。
模式生物的发育分期故意淡化与环境变量效应相关的发育变异（例如表型可塑性）, 通过严格限制环境变量的值范围，并消除用于建立全面分期的特征的变异。
因此，使用具有指定发育阶段的模式生物将使观察由于表型可塑性而产生的变异模式变得困难，甚至不可能。

尽管即使焦点不在进化问题上，这种紧张局势也会促使发育生物学家将证据缺乏解释为表型可塑性的发育重要性的证据，但对于进化研究人员来说，这种紧张局势更加严重。记录变异模式恰恰是评估表型可塑性进化重要性所需的。模式生物中的发育分期实践可能阻碍我们评估其进化重要性的能力，因为变异未得到体现和记录，因此不太可能被视为实质性的。涉及正常阶段的理想化会阻碍对表型可塑性进行强有力的实验探究，这是确定其进化重要性的障碍。

这种紧张状态对发育和进化交叉的影响有两个方面。首先，用于研究发育的最强大的实验系统被建立起来以最小化可能对理解自然界中进化过程发生方式至关重要的变异。其次，如果进化研究围绕着一个被评估为典型以支持我们称之为阶段的时间分割的特征展开，那么这个特征的大部分变异在概念上被移除，作为使模式生物在实验上可追踪的一部分。

发现伴随着用于研究发育的理想化策略的缺点，引发了对如何解决已识别的责任的考虑（Love 2006）。我们可以通过增加三个进一步的前提来建立一个关于如何解决这些责任的原则性观点：

涉及理想化的推理策略，比如（2），对于成功进行生物学研究的生物发育是必要的。
因此，应选择补偿性策略，以特别纠正由所使用的理想化形成的盲点。
鉴于（1）-（3），补偿性策略必须与忽视由模式生物的发育阶段导致的表型可塑性变异的影响相关。

至少有两种补偿性策略可以促进对由于构建模式生物的发育阶段而忽视的表型可塑性变异的观察：采用多样的模式生物和采用替代的时期划分。

发育生物学中经常会观察到非标准模式生物的变异，因为那些没有大型社区支持的实验生物很少会有其胚胎发育被正式分期，因此理想化对表型可塑性的影响并不起作用。反过来，研究人员对这些变异方式如何在标准模型研究中被淡化变得更加敏感。阶段可以被用作视觉标准，以将变异识别为与规范的偏差，并从而表征变异模式。[22]

第二种补偿策略是采用替代时期划分。这涉及选择不同的特征来构建新的时间分区，从而便于观察与先前在正常阶段划分中稳定的特征相对应的变异。这些替代时期划分通常根据与用于构建正常阶段不同的过程或里程碑来划分一部分发育事件，它们可能不会一对一地映射到现有的正常阶段，特别是如果它们包括从受精到性成熟成体的轨迹之外的事件。如果使用不同的时间度量标准，无论是顺序（事件排序）还是持续时间（定义间隔的连续性），以及是否相对于彼此或相对于外部标准（如绝对年代表）来测量顺序或持续时间，这些不同的时间度量标准也会体现出来。这些不兼容性阻止了将替代时期划分融入单一的总体分期方案中。在所有这些情况下，都涉及到理想化，因此每个新的时期划分都会受到忽略变异类型的风险。然而，当定义其时间分区时，替代时期划分需要选择不同的特征来稳定和典型化，这意味着将暴露出不同于先前可观察到的变异类型。[23]

采用多样的模式生物和采用替代时期划分的补偿策略在概念上可能是适当的，以解决发育分期实践对检测表型可塑性的影响，但这并不能消除相关成本（人力、财务等）或争议。对于一般模式生物（例如斑马鱼正常阶段）的单一全面时期划分的优势必须在考虑替代的、过程特定的时期划分的优势的基础上权衡。然而，通过公开审视这些实践与感兴趣现象之间的关系，并认识到在使用的理想化中涉及的优势和劣势，发育和进化生物学家更有可能提供生物现象的系统描述和全面解释。

这篇文章仅对发育生物学认识论的概念反思的重要性和潜力进行了部分抽样。关于上述领域的每个方面都可以进一步探讨，比如对正常阶段在发育生物学中作为类型运作的更细致分析（DiTeresi 2010; Lowe 2016）。此外，对于发育生物学实验中证据如何起作用以及确认性和探索性实验之间的差异（Hall 2005; O’Malley 2007; Waters 2007b）几乎没有提及，也没有探讨在发育生物学中表征关键实践的隐喻和模型的作用（Fagan 2013; Keller 2002）。通过更加关注特定研究项目的细节，后者已经被清晰地分析。最后，对于发育现象的形而上学含义（亚里士多德形而上学的一个关键输入）没有提及。潜力的概念在描述胚胎现象中非常自然（例如，干细胞的多能性或一种生殖层产生不同种类的组织谱系的潜力），一些人认为发育生物学的实证进展支持了一种关于生物自然种类的新本质主义形式（Austin 2019）。这影响了我们对倾向性的理解（参见关于倾向性的条目），因为触发条件通常是复杂的并且多重实现（包括没有触发器的表现），以及细胞在特定的顺序中表现出具有多种可能表现形式（细胞类型）的倾向性（Hüttemann and Kaiser 2018; Laplane 2016）。在人类发育生物学的背景下，也会出现形而上学问题，比如如何理解怀孕的本体论（Kingma 2018; Sidzinska 2017）。因此，发育生物学不仅展示了一系列丰富的物质和概念实践，可以通过分析来更好地理解实验生命科学中所展示的科学推理，而且还指向了新的形而上学思想，特别是当这一努力明确考虑到实证成功科学的输入时。

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Figure Credits

Figure 1: “Preformation”, drawn by Nicolaas Hartsoeker (Essai de Dioptrique, 1694). Licensed under Public domain via Wikimedia Commons. File:Preformation.GIF - Wikimedia Commons
Figure 2: “Spiral cleavage in gastropod Trochus” by Morgan Q. Goulding, 2009, “Cell Lineage of the Ilyanassa Embryo: Evolutionary Acceleration of Regional Differentiation during Early Development“, PLoS ONE, 4(5): e5506, doi:10.1371/journal.pone.0005506, Figure 1 TIFF. Licensed under Creative Commons Attribution 2.5 via Wikimedia Commons. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0005506 OR File:Spiral cleavage in Trochus.png - Wikimedia Commons
Figure 3: “Hematopoiesis simple” by Mikael Häggström (no attribution required), from original by A. Rad (requires attribution) - Image:Hematopoiesis_(human)_diagram.png by A. Rad. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons. File:Hematopoiesis simple.svg - Wikimedia Commons
Figure 4: “Wingless and Hedgehog reciprocal signaling during segmentation of Drosophila embryos” by Fred the Oyster (requires attribution). Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 via Wikimedia Commons. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Wingless_and_Hedgehog_reciprocal_signaling_during_segmentation_of_Drosophila_embryos.svg
Figure 5: “Drosophila melanogaster—side (aka)” by André Karwath aka Aka - Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 via Wikimedia Commons: File:Drosophila melanogaster - side (aka).jpg - Wikimedia Commons
Figure 6: “Homology” from George John Romanes, 1892 [1910], Darwin and after Darwin, (fourth edition), Chicago: The Open Court Publishing Company, Figure 5, Chapter 3, p. 56, “Wings of Reptile, Mammal, and Bird. Drawn from nature (Brit. Mus.)”. http://www.talkorigins.org/faqs/precursors/images/homology.jpg. Licensed under Public domain via Wikimedia Commons - File:Homology.jpg - Wikimedia Commons
Figure 7: “Biston betularia caterpillars on birch (left) and willow (right)” by Mohamed A.F. Noor, Robin S. Parnell, Bruce S. Grant, 2008, “A Reversible Color Polyphenism in American Peppered Moth (Biston betularia cognataria) Caterpillars”, PLoS ONE, 3(9): e3142. doi:10.1371/journal.pone.0003142. A Reversible Color Polyphenism in American Peppered Moth (Biston betularia cognataria) Caterpillars | PLOS ONE Licensed under Creative Commons Attribution 2.5 via Wikimedia Commons - File:Biston betularia.png - Wikimedia Commons

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Acknowledgments

Thanks to the many philosophical and scientific colleagues who have provided me with extensive comments on different aspects of this material over the past decade. I am grateful to Max Dresow, Kelle Dhein, Nathan Lackey, Lauren Wilson, and Yoshinari Yoshida for insightful recommendations and an anonymous referee for helpful feedback that substantially improved the final version of the entry.

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