昆虫的翅膀是由“基因电路”产生的吗？为什么只有昆虫能够主宰天空？支撑翅膀进化的“布林克电路”

“飞向天空”——生命史上最大规模的更新

如果将地球的历史排列成应用程序的更新记录，那么“昆虫翅膀的诞生”无疑是一次重大版本更新。
大约4亿年前，当树木刚开始覆盖地表时，最早飞向天空的动物既不是鸟也不是蝙蝠，而是我们平时不太注意的小昆虫。Phys.org

为什么只有它们能够如此迅速地获得飞行能力？本次研究揭示，这一秘密的一部分隐藏在一个看似技术化的机制中，即“基因电路”。

英国弗朗西斯·克里克研究所的团队通过果蝇的分析，发现了一个由称为Dpp的形态发生素（形态信号分子）和**Brinker（布林克）**分子构成的反馈回路。这在精确培育类似翅膀的“大型结构”方面起到了决定性作用。Phys.org

形态发生素Dpp：携带设计图的“浓度梯度”

在发育生物学的世界中，经常会提到形态发生素这个词。这是指通过浓度传递“哪个细胞将成为哪个部位”的信号分子。高浓度的地方会激活A基因的开关，稍远一些的中等浓度会激活B基因……这种梯度本身就像是一张地图。

在果蝇的翅芽（幼虫期将成为翅膀的小组织）中，Dpp承担了这个角色。Dpp是广泛存在于包括人类在内的动物中的BMP家族成员，是参与骨骼和器官形成的重要信号。

然而，这里存在一个问题。

由于翅膀作为“孤立的补丁”组织从幼虫身体上稍微分离开来，因此很难从其他地方获得“支持信号”。尽管如此，必须在整个翅膀范围内正确传递细胞的位置信息。

Dpp在靠近源的地方作用强，但远离时信号不可避免地变弱，噪音也增加。然而，实际的翅膀在边缘处的图案仍然整齐。究竟是如何做到的呢？

Brinker创造反向梯度

本次研究的主角，Brinker在此时登场。研究小组的Anqi Huang发现，随着Dpp浓度的下降，抑制因子Brinker的浓度反向上升。Phys.org

• Dpp强的地方 → Brinker几乎不表达

• Dpp弱的地方 → Brinker强烈表达

也就是说，不仅是Dpp的梯度，作为其“反面”的Brinker梯度也贯穿了整个组织。

此外，通过与物理学家的联合分析，发现Brinker不仅仅是被动的反应，而是反馈回路的中心。Dpp信号抑制了Brinker的表达，而Brinker又控制Dpp目标基因的开关。通过这种相互作用，远处的细胞主要依靠Brinker平滑的梯度来获取“这里是哪里”的信息。Phys.org

换句话说，

“由于原始信号（Dpp）模糊不清，因此将其重新编码为更清晰的二次信号（Brinker梯度）并重新分发的回路”

被嵌入到组织中。

没有翅膀的“蠕虫”讲述进化前夜的样子

为了探究这一回路何时以及如何进化，研究团队追溯了基因的谱系。通过比较公开的基因组数据，发现Brinker基因是昆虫特有的，近缘的甲壳类动物中不存在。Phys.org

此外，研究团队还关注了原始的“无翅”昆虫**蠕虫（firebrat）**。蠕虫是昆虫中较古老的谱系，目前仍然没有翅膀。如果Brinker的回路是“与翅膀一起进化”的，那么在蠕虫中，Dpp的关系可能尚未建立。

实际上，实验表明，蠕虫的基因组中虽然存在Brinker基因，但并没有形成类似果蝇的反向梯度，也没有与Dpp信号连接。Phys.org

这一结果强烈支持了“Brinker最初在昆虫谱系中诞生，随后在有翅昆虫的谱系中与Dpp结合并作为反馈回路得到完善”的情景。

不是400年前，而是4亿年前发生的“飞向天空的创新”

研究负责人Jean-Paul Vincent指出，

昆虫大约在4亿年前，正值树木开始出现之际，获得了最初的飞行能力

。Phys.org

Brinker被整合到Dpp信号网络中，应该有助于稳定地大规模生长出新的结构——翅膀。结果，昆虫进入了空中这一全新的生态位，成为地球上最繁荣的动物群体之一——这样一个宏大的进化故事从这篇论文中浮现出来。

SNS是如何接受的？（虚拟时间线）

以下是为了使本文主题更易理解而重新构建的“虚拟SNS时间线”。虽然不是实际的帖子，但当这一新闻传播时，时间线上一定会有这样的声音。

@evo_bio_lab
“Brinker是昆虫特有的，而且与翅膀进化的时间重合，这简直是教科书级别的内容吧…… #进化发育学 #昆虫翅膀”

@dev_fly
“不是直接读取Dpp梯度，而是先用Brinker‘重新编码’，作为信号处理来说太美了。”

@sci_illustrator
“蠕虫的翅膀‘尚未连接的回路’这一想法令人感动。就像在看进化中的电路图。”

@bio_engineer
“这样的反馈回路，合成生物学中制造人工组织时也可能应用。比如将图案延伸到细胞片的边缘。”

@casual_reader
“‘没有翅膀的虫子掌握了有翅昆虫进化的关键’这样的标题就让人想读。”

在研究者社区中，这被视为“进化发育学（evo-devo）的好例子”，而在普通大众中，“不起眼的虫子扮演了超级英雄级别的角色”的故事性可能会受到关注。

“基因电路”这一视角改变了进化的形象

本次研究的有趣之处在于，将进化描绘为“电路设计的更新”而非“部件的添加”。

• Brinker这一新部件在昆虫谱系中诞生

• 它被整合到Dpp信号中，形成反馈回路

• 结果是能够精确控制像翅膀这样的大型结构

这一过程让人联想到电子电路或软件的重构。
在旧系统中添加新模块，改善信号的传播方式和噪声耐受性——这样的工程视角为观察生命的进化提供了契机。

未来的应用：从翅膀到器官，再到人工组织

Dpp不仅限于昆虫的翅膀，还参与多种器官形成的基本信号。如果在其他组织中也发现类似Brinker的反馈因子及其网络结构，可能会看到以下应用。

• 再生医学
  人工扩展形态发生素的“覆盖范围”，成为均匀生长立体器官的设计指南的可能性。

• 合成生物学与生物材料
  作为基因电路设计的应用，可能用于将由细胞组成的“生物模式”自律地扩展到更大规模。

• 进化的再现实验
  通过将类似Brinker的因子引入其他谱系，重新组合信号网络，可以在实验室层面验证“如果那个时代发生了不同的进化”的梦想研究。
  
  
  

结语：小小的翅膀教会我们的事

在我们眼中，果蝇的透明翅膀以及厨房角落蠕动的蠕虫可能并不那么有吸引力。然而，在这些小结构的背后，形态发生素、基因电路、反馈控制等高级信息处理正在全力运作。

本次研究生动地展示了其中的一部分。
观察不起眼的昆虫翅膀，实际上可能是了解“生命如何获得复杂性和多样性”的最短路径之一。