在加州大学洛杉矶分校的一个实验室里，一只眼睛已经脱离了它曾经观察世界的果蝇，现在被埋在一个小小的塑料子弹里，不祥地夹在一台高科技切片机中。切割眼睛的工具散落一地：刀片、显微镜载玻片、各种叫不出名字的零件盒子，还有从严肃科学用途中挪用出来的橡皮泥，被做成了用回形针做脚的小动物。
咔嚓！切割机落下，眼睛被切开，锋利的刀片一次又一次地切片！超薄的薄片从塑料上剥落下来，每一片都带着一个圆形的眼睛晶片，就像一片半透明的意大利香肠里的一粒红色胡椒。一名技术员用一根小扁棒将它们一一收集起来，轻轻地放在玻璃载玻片上。半小时后，显微镜视野中布满了闪烁的六边形阵列，比真实尺寸放大630倍。每个六边形内都聚集着七个细胞，簇拥成一个灰蓝色的箭头。如果这个精美有序的阵列不是如此微小，它将成为清真寺墙壁上美丽的瓷砖。
它可能很美，但美丽并不是这项实验室工作的驱动力。并非是这里和世界各地数十位研究果蝇眼部奥秘的科学家们对他们研究对象的内在优雅无动于衷。但主要激发起他们灵感的是产生这种生物美感的生物过程。他们问道，秩序是如何从混沌中产生的？一堆无聊的、未分化的细胞是如何达到果蝇眼睛非凡的精确度的？
普渡大学西拉法叶分校的发育生物学家唐·雷迪说：“这几乎就像你一开始地板上有一堆随机的瓷砖，然后从房间的一侧开始，这种美丽的镶木地板就会蔓延开来。这就像看着一个晶体形成——但对于眼睛来说，它不是一个硬连接的晶体。它更像是一个软件晶体。正是发育的逻辑将细胞聚集成了这种引人注目的结构。”
发育的逻辑——如果你喜欢的话，这种“软件”——是基因，成百上千的基因，在正确的时间和地点开启和关闭，推动一些细胞变成这种，另一些变成那种，还有一些则乖乖地等待它们的轮次。当所有的推动结束后，果蝇眼睛的750个六边形小眼面 neatly 拼接在一起，每个小眼面都配备了19个细胞。在一个小眼面内有光感受器——各种类型的光敏细胞——像木桶的木板一样紧密结合在一起。有形成小眼面表面的锥体细胞，从该表面长出一根刚毛，这对于感知眼睛上的污垢并将其擦拭掉非常方便。还有连接每个小眼面到果蝇大脑的神经。最后，还有赋予眼睛丰富红色色素的色素细胞。如果果蝇不通过这层吸光色素将每个小眼面与相邻的小眼面隔离开，进入一个小眼面的光线可能会弹射到相邻的小眼面，并触发错误的光感受器发射信号。不清楚每束光线的来源，果蝇就很难建立它所观察到的一切的精确视觉图。（与普遍看法相反，多个小眼面并不会向大脑传递多个图像。相反，它们将进入眼睛的光线组织成一个连贯的图像，就像电视屏幕上的像素组织图像一样。）
然而，对于大多数果蝇眼研究爱好者来说，这19个细胞的功能远不如它们选择命运的方式引人入胜。加州大学洛杉矶分校的发育生物学家拉里·齐普尔斯基最近被他8岁的女儿问及他整天在实验室里做什么时，他并没有告诉她他一生都致力于果蝇的眼睛。相反，他试图解释他想了解一些更深刻得多的东西：他想知道任何动物——无论是果蝇、青蛙、三趾树懒还是人类——是如何构建眼睛、大脑、脾脏，甚至整个身体的。对他来说，果蝇的眼睛以及控制其发育的基因，只是一个方便的起点。说出任何器官，说出任何生物——这些器官和生物的基因在组合方式上都惊人地相似。齐普尔斯基说，果蝇的眼睛是一个极好的实验系统——一个你可以操纵并能让你提出关于发育的基本问题的系统。
使眼睛如此出色的部分原因仅仅是果蝇不需要眼睛也能生存——至少在实验室里是这样——所以研究人员可以修改果蝇眼睛的基因，并且仍然有一个活着的生物体可以进行研究。此外，果蝇眼睛是一个简单、规则的结构——比，比如说，啮齿动物的大脑要简单得多，也更容易理解。最重要的是，果蝇——遗传学家近一个世纪以来的宠儿——易于饲养，易于繁殖，并且被深入研究。它甚至有自己的基因组计划。
但即使忽略所有这些有价值的用途，人们也不得不承认，一个器官能够诱惑像《科学》这样严肃的杂志，在其封面上印上一个看起来像廉价恐怖电影中怪物的形象，真是令人惊叹。在1995年3月号中，发育遗传学家沃尔特·格赫林和他在瑞士巴塞尔大学的同事们发表了弗兰肯斯坦式的照片，展示了果蝇翅膀、腿和触角上长出的眼睛。他们报告说，他们制造出了多达14只眼睛的果蝇——请注意，这些眼睛能够感知光线。
格赫林的研究小组借助了“无眼基因”（eyeless）这个眼部研究领域的新宠，创造了他们的“怪物”果蝇。（基因通常以它们受损时出现的问题命名——所以，猜猜“无眼基因”突变体是什么样子，就不难了。）两年前，格赫林的实验室克隆了负责该性状的基因时，研究人员注意到它带有一种独特的基因序列，这种序列属于一种蛋白质，通过开启和关闭其他基因来告诉身体部位它们将成为什么。换句话说，他们得到了一个控制基因，当你把它弄乱时，就会产生一只没有眼睛的果蝇。他们问道，“无眼基因”是否是一种总开关，一个能够告诉某种组织——也许是任何组织——发育成眼睛的基因？
他们推断，如果是这样，那么你就可以在错误的位置开启“无眼基因”，从而在错误的位置长出眼睛。这种操作在现代分子生物学中很容易实现，所以研究人员迅速对果蝇进行了基因改造，然后坐下来等待。“这是一次奇妙的经历，”格赫林说，“事情是逐渐发生的。最初我们只看到一点点红色色素。几天后，我们看到了最初的几个真正的眼睛小面。然后我们看到翅膀上出现了真正的大眼睛。实验结束时，当他们看到果蝇身体上各种意想不到的地方都长出了眼睛时，格赫林和他的同事们确信他们是正确的：‘无眼基因’确实似乎是一个能够促使不寻常组织形成眼睛的基因。”
然而，即使“无眼基因”能够触发眼睛的形成，这并不意味着发育问题就此解决。远非如此。尽管“无眼基因”可能启动了眼睛的形成，但随后会发生极其复杂的事件。大约有5000个基因共同作用来构建一只眼睛，而研究人员才刚刚开始弄清楚这些基因是哪些，以及它们何时何地发挥作用。
加州大学伯克利分校的发育遗传学家格里·鲁宾说：“这就像试图拼凑一个5000块的拼图游戏。你已经找到了四五块碎片，你非常高兴，因为你刚刚发现这些碎片恰好拼在一起，组成了农舍的这一小部分。但是还有整个景观需要填补，以及一大片蓝天。到目前为止，我们显然只处理了整个拼图的5%到10%。我们正在努力填补剩下的部分。”
这项艰苦的工作，大部分始于寻找眼睛有缺陷的果蝇，每只果蝇都是一个突变体，只缺少一个关键的造眼基因。一旦你找到一个突变果蝇，你就分离出突变基因，然后是它的正常对应物。一旦你获得了正常基因，你就可以尝试找出它如何适应眼睛发育的拼图。
第一步很简单：突变体、不合格的眼睛很容易被发现。想象一个醉醺醺的工人拼凑那美丽的镶木地板。光滑、无缝的细胞排列不见了。取而代之的是一个粗糙、混乱的眼睛，小眼面随意排列，像一颗覆盆子。
有几十个这样的突变基因，名字诸如“粗糙（rough）”、“粗糙眼（rough eye）”、“粗糙化（roughened）”、“微粗糙（roughish）”、“粗糙ex（roughex）”、“类粗糙（roughoid）”和“粗糙处理（rough deal）”——甚至还有“最粗糙（roughest）”和“最粗糙状（roughestlike）”——这些都证明了它们所引起的纹理问题。还有其他突变果蝇，眼睛的颜色是波尔多红和勃艮第红、橙色和柠檬黄、白巧克力和黑巧克力；眼睛上半部分是红色，下半部分是白色；眼睛形状像条状或菱形，或者长着奇怪的方形小眼面而不是合理的六边形小眼面。更不用说萎缩的眼睛、变成翅膀或脚的眼睛，或者——就像“无眼基因”一样——眼睛完全消失了。
但有时你需要借助显微镜才能看清眼睛出了什么问题。例如，携带“七号细胞缺失基因”（sevenless）的果蝇看起来完全正常。然而，仔细观察它的眼睛，你会发现它缺少一个光感受器，即被称为七号的光感受器。
早在20世纪70年代，西摩·本泽在加州理工学院的研究小组首次发现了它。如今你可以看出，作为神经遗传学家的本泽仍然热爱眼睛：他的办公室墙上挂满了果蝇眼睛的照片和素描，包括本泽自己的一幅超现实主义绘画。他兴致勃勃地指出其中一幅眼睛的图像，他想把它变成华丽的墙纸。（他很可能会这样做。本泽已经在自己家的大门上安装了彩色玻璃果蝇眼睛。）
二十年前，本泽对眼睛并不特别感兴趣。“我开始着迷于基因信息如何构建行为这个问题，”他回忆道，“从我自己的孩子们的经验中，我已经确信行为具有遗传基础。所以我认为，‘好吧，什么是一个简单的行为可以研究呢？’我选择了动物对光的反应。这看起来很简单：光线进入果蝇的眼睛，然后行为——以向光运动的形式——产生。”
为了找到行为异常的突变体，本泽的团队用有害化学物质处理了数百万只果蝇，以损伤它们的基因，然后筛选它们的后代对光线的异常反应。不出所料，其中一些幼年果蝇视力很差——毕竟，如果你不能正确地感知光线，你就无法正确地做出反应。七号缺失（sevenless，缺乏该基因的果蝇）就是其中之一。
在可见光下，七号缺失果蝇导航正常。它们在紫外光下出了问题。想象一个简单的迷宫，有两条路径，一条通向绿光，另一条通向紫外光。正常果蝇会走向紫外光。但七号缺失果蝇却飞向了绿光。事实证明，它们避开紫外光的原因很简单：七号细胞，而且只有七号细胞，含有一种感光分子，专门用于感知构成光谱紫外部分的短波长。这种细胞在突变体中从未形成。
要弄清这个错误是如何发生的，你必须回到过去，观察在苍白、蠕动的蛆体内眼睛的形成，这些蛆最终将变成成年果蝇。深入蛆群是研究果蝇的常事，研究人员似乎并不介意。一个果蝇实验室里堆满了瓶子，每个瓶子里都有一小团酵母棕色糊状物，果蝇幼虫觉得那美味极了。仔细观察，你会看到它们在粘液中穿梭，每天吞食五倍于自身体重的食物，同时挖着隧道。孵化仅四天后，一只果蝇幼虫就会从不到一毫米长到将近四毫米。然后，当它决定吃饱后，它会沿着瓶壁爬上去。是时候找一个又高又好的地方化蛹了。
阿曼达·皮卡普（Amanda Pickup），加州大学洛杉矶分校果蝇研究员乌特帕尔·班纳吉（Utpal Banerjee）实验室的一名研究生，正在寻找这些“登山”幼虫。她即将进行的壮举不适合胆小者或使用钝镊子的人。幼虫倾泻到装有液体的培养皿中；它们在那里，小身体左右摆动，在解剖显微镜的聚光灯下显得明亮。皮卡普的两个镊子迅疾地抓住幼虫的口器和中部，然后慢慢地将其拉开，撕裂身体。微小的白色内脏器官扑通一声掉进培养皿里：挥舞着叶状的唾液腺，扭曲的肠道，Blob状的脂肪块，以及——最重要的是——18个漂浮在这些卷曲和Blob状物中间的小圆形盘状物。
这些深埋在幼虫体内不起眼的小细胞簇，正在悄无声息地分裂，并对幼虫的未来做出秘密的决定。这些盘状物将构成未来果蝇的大部分，其中两个特别的盘状物已经很好地踏上了成为眼睛的道路。然而，它们躺在培养皿中，看起来一点也不像成年果蝇眼睛那华丽的镶嵌图案。诚然，这些盘状物是圆形的，就像眼睛一样。但光敏细胞簇、锥体细胞和色素细胞、晶状体的光泽以及那明亮、诱人的红色又在哪里呢？
许多构成眼睛的细胞协调活动发生在蛹期。那时，刚毛和色素细胞形成。眼睛在薄薄的蛹膜下，从白色变为黄色，再变为橙色，最后变为红色，就像藤蔓上成熟的果实。此外，还有多余的细胞——这些细胞必须被清除，否则它们会致命地扰乱小眼面有序的排列。在最后关头，这些细胞自杀，眼睛变得整洁，就像用梳子梳理过的凌乱发型。
然而，即使在看似简单的幼虫体内，事情也在发生——唐·雷迪，在20世纪70年代本泽的学生时代，曾花费数小时记录这些事情。他凝视着发育中的盘状体，注意到组织中有一条细长的沟，从上到下延伸。沟的一侧，细胞们一排排地聚集在一起，形成有序的簇，每个簇都注定要成为一个果蝇眼睛的小眼面。沟的另一侧，细胞仍然杂乱无章。雷迪将这种奇怪的现象命名为形态发生沟。在接下来的两天里，随着沟从盘状体的一侧扫向另一侧，眼睛精确的细胞结构就形成了。
现在已知，细胞以确定的顺序决定它们的命运。首先，就在沟中，光感受器8号细胞出现——一排排整齐的8号细胞。随着沟的向前推进，2号和5号细胞在每个8号细胞旁边形成。然后3号和4号加入这个群组，接着是1号和6号。最后，就在锥体细胞加入细胞簇之前，7号细胞出现——除了在“七缺失”果蝇中。正如雷迪的研究小组在1986年发现的，小“七缺失”幼虫的问题是，那些偏离正轨的细胞变成了锥体细胞。显然，“七缺失”突变体中缺少了发育拼图的一个虽小但至关重要的部分。
有了这项关键发现，果蝇眼睛似乎成了研究细胞信号传导的完美对象——这是一门研究细胞如何被编程，相互告知该做什么和变成什么的科学。一年之内，研究人员确定了“七号细胞缺失突变体”所缺少的东西。正常基因编码一种蛋白质，这种蛋白质存在于细胞膜中，等待着成为七号细胞的信号。移除编码这种蛋白质的基因，就像拔掉某人家里的电话一样：无论你之后如何顽强地打电话给他们，他们永远也不会知道你打过。
那么是谁想呼叫七号细胞呢？一个叫做“七号细胞新娘”（bride of sevenless）的基因。“七号细胞新娘”也编码一种存在于细胞膜中的蛋白质。但这种蛋白质不是接收信号，而是发送信号——而且它从八号细胞发送信号。“去吧，”它对“七号细胞缺失”蛋白说，“告诉你的细胞变成七号细胞。”接下来是一系列复杂的蛋白质相互“聊天”的过程，形成一条长长的链条——蛋白质的名字有“七号细胞之子”（Son of sevenless）、ras、raf等等——直到最终，信息抵达细胞核。基因开启和关闭，奇迹发生了！细胞变成了每个自重自爱的七号细胞应有的样子。它制造了紫外线感应色素，并以完美的七号细胞方式与大脑连接。
甚至在这个最终选择做出之前，未来的七号细胞就已经排除了除两种职业选择之外的所有可能性——成为七号细胞或成为锥体细胞。（是“七号细胞新娘”发出的信号，使其不可避免地走上七号细胞的道路。）许多分子对话可能更早就开始了。科学家们怀疑，八号细胞是细胞簇形成的“选角导演”：当细胞在沟处混乱地聚集在一起时，八号细胞会向每个细胞簇的其他未来成员发送各种信号，以便它们都能以适当、有条不紊的方式扮演自己的角色。
但是，组装一只眼睛所需的基因远不止一两个。成群结队的基因都在帮助推动皱褶的移动，并促使八号细胞的形成——帮助创造所有其他花哨的装饰，这些都是构建一个功能完善的眼睛所必需的。了解这些基因如何工作，可能会提供关于控制细胞生长的各种信号的线索。理解这一点不仅对发育生物学，而且对医学都具有重要意义：例如，七号细胞信号级联中的许多蛋白质，是告诉细胞——任何类型的细胞——何时分裂的关键蛋白质。编码这些蛋白质的基因受损可能导致癌症。例如，约30%的人类癌症涉及受损的ras基因。
如今，果蝇眼睛基因触及了生物学的诸多方面，以至于许多研究人员对它们产生了新的兴趣。特别是，他们正在重新审视眼睛是如何进化的这个问题。从昆虫和甲壳类动物的复眼到鱿鱼和脊椎动物的单眼，存在着形状和形式迥异的眼睛。每种眼睛都极好地适应了其所在生物的需求。这导致了截然不同的设计。例如，我们人类通过凹面感知光线：光线进入瞳孔，并在视网膜（我们眼球的内表面）上形成倒像。果蝇则以相反的方式进行。它们通过一个凸出、凸起的视网膜来观察世界，视网膜上布满了从空间不同点收集光线的光感受器。
难怪那些思考进化的人们长期以来一直在思考眼睛究竟是如何进化的，以及它进化了多少次。“在教科书中——包括我自己的——你会读到，一个原型眼独立地出现了大约40次，”格赫林说，“许多对眼睛的详细研究都得出了这个结论，然而它究竟意味着什么从来都不清楚。不同的眼睛每次都是完全独立进化的吗？毕竟，光敏色素视紫红质在所有动物中基本相同——它不太可能进化了40次。因此，许多人怀疑，在我们遥远的过去某个地方，存在一个原始的眼睛，它是我们今天看到的所有不同类型眼睛的曾曾祖父。”
随着“无眼基因”的发现，这一观点得到了支持。不仅“无眼基因”在果蝇眼中扮演着关键角色，而且从扁形虫、鱿鱼、海鞘到小鼠和人类等所有生物中都存在着令人怀疑的相似基因。格赫林说：“无论我们看向哪里，我们都能找到它。”
更重要的是，至少在人类和小鼠中，该基因的作用似乎与它在果蝇中的作用非常接近。人类有一种叫做无虹膜症的遗传病，其中视网膜、虹膜、晶状体和角膜都存在缺陷。这些缺陷源于人类“无眼基因”对应物的损伤。删除小鼠体内“无眼基因”对应物（一种名为Pax-6的基因）的一个拷贝会导致类似的问题；删除两个拷贝则会导致小鼠没有眼睛，没有鼻子，神经系统不完整。格赫林甚至做了一个实验，他将小鼠的Pax-6基因插入果蝇体内并错误地开启它。结果，果蝇全身都长出了眼睛——果蝇的眼睛。在脊椎动物和无脊椎动物中，这些基因似乎真的以相同的方式工作。
斯坦福大学神经生物学家罗素·费尔纳尔德说：“如果你想到小鼠的眼睛和果蝇的眼睛，它们之间真是再不同不过了。然而现在我们看到，发育过程的某些部分是同源的，因为它们是由相同的基因完成的。这表明存在一个共同的祖先眼睛。它可能不是一个功能强大的眼睛——也许只是一片光敏细胞，就像扁形虫等原始生物中存在的那种。之后又发生了大量的独立进化。但现在我们没有理由再谈论眼睛从头开始进化几十次了。”
“你想看些真正美丽的东西吗？”本泽问道。他指着他桌上一个令人惊叹的黑色化石——一只五英寸长的三叶虫，果蝇的远古表亲，身体分节、有腿，还有华丽的复眼。早在五亿年前，那复杂的眼睛就已经存在了——而在更早的一瞬之间，我们的祖先以及果蝇和三叶虫的祖先就已踏上了各自独立的进化之路。在本泽的帮助下，他希望能追溯眼睛的家族树，从最初的光敏细胞到我们今天所见并用来观察世界的复杂标本。“生物体已经发展出许多不同的设计来达到相同的效果，”本泽说，“但似乎共同的是它们使用的分子成分。它们就像你可以用非常不同方式组装的分子乐高积木。”
