นักปรัชญาเริ่มคิดเกี่ยวกับวิธีที่สัตว์ได้รับรูปร่างในครรภ์ตั้งแต่สมัยโบราณอริสโตเติลกล่าวใน ตำรา ฟิสิกส์ ของเขา ว่า ตามที่เอมเปโดคลีสกล่าวไว้ ความเป็นระเบียบ "เกิดขึ้นเอง" ในตัวอ่อนที่กำลังพัฒนา ใน ตำรา ส่วนต่างๆ ของสัตว์เขาโต้แย้งว่าทฤษฎีของเอมเปโดคลีสนั้นผิด ในคำอธิบายของอริสโตเติล เอมเปโดคลีสกล่าวว่ากระดูกสันหลังแบ่งออกเป็นกระดูกสันหลังเพราะตัวอ่อนบิดตัวและทำให้กระดูกสันหลังแตกเป็นชิ้นๆ อริสโตเติลโต้แย้งว่ากระบวนการนี้มีเป้าหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า นั่นคือ "เมล็ดพันธุ์" ที่พัฒนาเป็นตัวอ่อนเริ่มต้นด้วย "ศักยภาพ" ที่มีอยู่แล้วที่จะกลายเป็นส่วนต่างๆ ของร่างกาย เช่น กระดูกสันหลัง นอกจากนี้ สัตว์แต่ละชนิดจะให้กำเนิดสัตว์ในชนิดเดียวกัน มนุษย์มีเพียงทารกที่เป็นมนุษย์เท่านั้น^{[ 2 ]}

ทฤษฎีการย้อนรอยวิวัฒนาการถูกเสนอโดยเอเตียน แซร์เรสในปี 1824–26 ซึ่งสะท้อนแนวคิดของโยฮันน์ ฟรีดริช เมคเคล ในปี 1808 พวกเขาโต้แย้งว่าตัวอ่อนของสัตว์ 'ชั้นสูง' ผ่านหรือย้อนรอยขั้นตอนต่างๆ ซึ่งแต่ละขั้นตอนจะคล้ายกับสัตว์ที่อยู่ต่ำกว่าในห่วงโซ่แห่งสิ่งมีชีวิตตัวอย่างเช่น สมองของตัวอ่อนมนุษย์ในตอนแรกดูเหมือนสมองของปลาจากนั้นก็เหมือนสมองของสัตว์เลื้อยคลานนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมก่อนที่จะกลายเป็นมนุษย์ อย่างชัดเจน นักคัพภวิทยา คา ร์ล เอิร์นสต์ ฟอน แบร์คัดค้านเรื่องนี้ โดยโต้แย้งในปี 1828 ว่าไม่มีลำดับเชิงเส้นเหมือนในห่วงโซ่แห่งสิ่งมีชีวิตที่อิงตามแผนผังร่างกาย เดียว แต่เป็นกระบวนการ เอพิเจเน ซิสที่โครงสร้างต่างๆ เกิดการเปลี่ยนแปลง ฟอน แบร์ กลับจำแนกแผนผังร่างกาย ของสัตว์ออกเป็นสี่แบบที่แตกต่างกัน ได้แก่ แบบแผ่รัศมี เช่นดาวทะเล แบบหอย เช่นหอย กาบ แบบข้อต่อ เช่นกุ้งมังกรและสัตว์มีกระดูกสันหลัง เช่น ปลา นักสัตววิทยาส่วนใหญ่จึงเลิกใช้การสรุปผลย้อนหลัง แม้ว่าErnst Haeckelจะฟื้นฟูมันขึ้นมาอีกครั้งในปี พ.ศ. 2409 ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 จนถึงเกือบตลอดศตวรรษที่ 20 วิชาคัพภวิทยาต้องเผชิญกับปริศนา สัตว์ต่างๆ ถูกพบว่าพัฒนาไปเป็นตัวเต็มวัยที่มีโครงสร้างร่างกาย แตกต่างกันอย่างมาก โดยมักจะผ่านขั้นตอนที่คล้ายคลึงกันจากไข่ แต่เหล่านักสัตววิทยาแทบไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับวิธีการควบคุมการพัฒนาของตัวอ่อน ใน ระดับโมเลกุลและด้วยเหตุนี้จึงรู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับวิวัฒนาการของกระบวนการพัฒนา^{[ 9 ]}ชาร์ลส์ ดาร์วินแย้งว่าโครงสร้างตัวอ่อนที่เหมือนกันบ่งชี้ถึงบรรพบุรุษร่วมกัน ตัวอย่างเช่น ดาร์วินอ้างถึงตัวอ่อนของเพรียงที่มีลักษณะคล้ายกุ้ง ในหนังสือ On the Origin of Species ปี 1859 ของเขา ซึ่ง ตัวเต็มวัย ที่เกาะติดอยู่กับ ที่นั้นดูไม่เหมือน สัตว์ขาปล้องอื่นๆ เลยลินเนียสและคูเวียร์ได้จัดจำแนกพวกมันเป็นหอย^{[ 10 ] [ 11 ]}ดาร์วินยังสังเกตเห็นการค้นพบของอเล็กซานเดอร์ โควาเลฟสกี ว่า ทูนิเคทก็ไม่ใช่หอยเช่นกัน แต่ในระยะตัวอ่อนมีโนโตคอร์ดและช่องคอหอยซึ่งพัฒนามาจากชั้นเนื้อเยื่อต้นกำเนิดเดียวกันกับโครงสร้างที่เทียบเท่ากันในสัตว์มีกระดูกสันหลังและจึงควรจัดกลุ่มร่วมกับพวกมันเป็นคอร์เดต^{[ 10 ] [ 12 ]}

ดังนั้น สัตววิทยาในศตวรรษที่ 19 จึงเปลี่ยนวิทยาเอ็มบริโอให้เป็นวิทยาศาสตร์เชิงวิวัฒนาการ โดยเชื่อมโยงวิวัฒนาการทางสายพันธุ์เข้ากับความเหมือนกันระหว่างชั้นเนื้อเยื่อของเอ็มบริโอ นักสัตววิทยาหลายคน รวมถึงฟริตซ์ มุลเลอร์เสนอให้ใช้วิทยาเอ็มบริโอเพื่อค้นหาความสัมพันธ์ทางสายพันธุ์ระหว่างกลุ่มสิ่งมีชีวิต มุลเลอร์แสดงให้เห็นว่าสัตว์จำพวกครัสเตเชียน มีตัวอ่อนระยะ นอพลิอุสร่วมกันและระบุชนิดของปรสิตหลายชนิดที่ก่อนหน้านี้ไม่ได้รับการยอมรับว่าเป็นสัตว์จำพวกครัสเตเชียน มุลเลอร์ยังตระหนักว่าการคัดเลือกโดยธรรมชาติจะต้องเกิดขึ้นกับตัวอ่อนเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับตัวเต็มวัย ซึ่งเป็นการหักล้างทฤษฎีการย้อนรอยวิวัฒนาการ (recapitulation) ที่จะต้องปกป้องตัวอ่อนจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติ^{[ 10 ]}แนวคิดอื่น ๆ ของ Haeckel เกี่ยวกับการวิวัฒนาการของการพัฒนาได้รับการพิสูจน์ได้ดีกว่าการทบทวน: เขาโต้แย้งในช่วงทศวรรษ 1870 ว่าการเปลี่ยนแปลงในจังหวะเวลา ( heterochrony ) และการเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งภายในร่างกาย ( heterotopy ) ของลักษณะต่าง ๆ ของการพัฒนาตัวอ่อนจะขับเคลื่อนวิวัฒนาการโดยการเปลี่ยนรูปร่างของร่างกายของลูกหลานเมื่อเทียบกับบรรพบุรุษ ต้องใช้เวลาหนึ่งศตวรรษกว่าที่แนวคิดเหล่านี้จะได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้อง^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

ในปี พ.ศ. 2460 D'Arcy Thompsonได้เขียนหนังสือเกี่ยวกับรูปร่างของสัตว์โดยแสดงให้เห็นด้วยคณิตศาสตร์ อย่างง่าย ว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของพารามิเตอร์เช่น มุมของเปลือกเกลียวของหอยทาก สามารถเปลี่ยนแปลง รูปร่างของสัตว์ ได้อย่างมาก แม้ว่าเขาจะชอบคำอธิบายเชิงกลไกมากกว่าเชิงวิวัฒนาการก็ตาม^{[ 17 ] [ 18 ]}แต่หากปราศจากหลักฐานระดับโมเลกุล ความก้าวหน้าก็หยุดชะงัก^{[ 10 ]}

ในปี พ.ศ. 2495 อลัน ทัวริงได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง " พื้นฐานทางเคมีของการเกิดรูปร่าง " เกี่ยวกับการพัฒนารูปแบบในร่างกายของสัตว์ เขาเสนอว่าการเกิดรูปร่างสามารถอธิบายได้ด้วยระบบปฏิกิริยา-การแพร่กระจายซึ่งเป็นระบบของสารเคมีที่ทำปฏิกิริยาและสามารถแพร่กระจายไปทั่วร่างกายได้^{[ 16 ]}เขาสร้างแบบจำลองปฏิกิริยาเคมีที่เร่งปฏิกิริยาโดยใช้สมการเชิงอนุพันธ์ย่อยแสดงให้เห็นว่ารูปแบบต่างๆ เกิดขึ้นเมื่อปฏิกิริยาเคมีผลิตทั้งตัวเร่งปฏิกิริยา (A) และตัวยับยั้ง (B) ที่ทำให้การผลิต A ช้าลง หาก A และ B แพร่กระจายในอัตราที่ต่างกัน A จะมีอิทธิพลในบางที่ และ B จะมีอิทธิพลในที่อื่นๆ นักชีวเคมีชาวรัสเซียบอริส เบลูซอฟได้ทำการทดลองที่มีผลลัพธ์คล้ายกัน แต่ไม่สามารถตีพิมพ์ได้เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้นคิดว่าการสร้างระเบียบที่มองเห็นได้เป็นการละเมิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์^{[ 19 ]}

ใน การสังเคราะห์สมัยใหม่ที่เรียกว่าในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ระหว่างปี 1918 ถึง 1930 โรนัลด์ ฟิชเชอร์ได้นำทฤษฎีวิวัฒนาการ ของดาร์วิน ซึ่งเน้นย้ำถึงการคัดเลือกโดยธรรมชาติพันธุกรรมและความแปรผันเข้า กับ กฎพันธุศาสตร์ของเกรกอร์ เมนเดล มาเป็นโครงสร้างที่สอดคล้องกันสำหรับชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการนักชีววิทยาสันนิษฐานว่าสิ่งมีชีวิตเป็นภาพสะท้อนโดยตรงของยีนที่เป็นส่วนประกอบ: ยีนเหล่านี้เข้ารหัสโปรตีน ซึ่งสร้างร่างกายของสิ่งมีชีวิต วิถีทางชีวเคมี (และพวกเขาสันนิษฐานว่ารวมถึงสายพันธุ์ใหม่ด้วย) วิวัฒนาการผ่านการกลายพันธุ์ในยีนเหล่านี้ มันเป็นภาพที่เรียบง่าย ชัดเจน และครอบคลุมเกือบทั้งหมด แต่ก็ไม่ได้อธิบายถึงวิทยาเอ็มบริโอ^{[ 10 ] [ 20 ]}ฌอน บี. แคร์โรลล์ได้แสดงความคิดเห็นว่าหากมีข้อมูลเชิงลึกของ evo-devo วิทยาเอ็มบริโอคงจะมีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์นี้อย่างแน่นอน^{[ 1 ]}

นักคัพภวิทยาเชิงวิวัฒนาการGavin de Beer ^{ได้ คาดการณ์ชีววิทยาการพัฒนาเชิงวิวัฒนาการ ไว้}ในหนังสือEmbryos and Ancestors ในปี 1930 ของเขา [ ^{21 ]}โดยแสดงให้เห็นว่าวิวัฒนาการสามารถเกิดขึ้นได้โดยheterochrony [ ^{22 ]}เช่นการคงลักษณะของวัยเยาว์ไว้ในวัยผู้ใหญ่ [ ^{13 ] de} Beer โต้แย้งว่าสิ่งนี้สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ดูเหมือนฉับพลันในบันทึกฟอสซิลได้ เนื่องจากตัวอ่อนกลายเป็นฟอสซิลได้ไม่ดี เนื่องจากช่องว่างในบันทึกฟอสซิลถูกใช้เป็นข้อโต้แย้งต่อวิวัฒนาการแบบค่อยเป็นค่อยไปของดาร์วิน คำอธิบายของ de Beer จึงสนับสนุนจุดยืนของดาร์วิน^{[ 23 ]}อย่างไรก็ตาม แม้จะมี de Beer การสังเคราะห์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ก็ละเลยการพัฒนาของตัวอ่อนเพื่ออธิบายรูปร่างของสิ่งมีชีวิต เนื่องจากพันธุศาสตร์ประชากรดูเหมือนจะเป็นคำอธิบายที่เพียงพอว่ารูปร่างต่างๆ วิวัฒนาการมาได้อย่างไร^{[ 24 ] [ 25 ] [ a ]}

ในปี พ.ศ. 2504 Jacques Monod , Jean-Pierre ChangeuxและFrançois Jacobค้นพบlac operonในแบคทีเรียEscherichia coliมันเป็นกลุ่มยีนที่จัดเรียงอยู่ในวงจรควบคุม แบบป้อนกลับ เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ของมันถูกสร้างขึ้นก็ต่อเมื่อ "ถูกเปิดใช้งาน" โดยสิ่งกระตุ้นจากสิ่งแวดล้อมเท่านั้น หนึ่งในผลิตภัณฑ์เหล่านี้คือเอนไซม์ที่ย่อยน้ำตาลแลคโตส และแลคโตสเองก็เป็นสิ่งกระตุ้นที่เปิดใช้งานยีน นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญ เนื่องจากแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่ายีน แม้แต่ในสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กอย่างแบคทีเรีย ก็อยู่ภายใต้การควบคุมที่แม่นยำ นัยยะก็คือยีนอื่นๆ อีกมากมายก็ได้รับการควบคุมอย่างซับซ้อนเช่นกัน^{[ 27 ]}

ในปี พ.ศ. 2520 การปฏิวัติทางความคิดเกี่ยวกับการวิวัฒนาการและชีววิทยาการพัฒนาได้เริ่มต้นขึ้น ด้วยการมาถึงของ เทคโนโลยี ดีเอ็นเอลูกผสมในพันธุศาสตร์หนังสือOntogeny and PhylogenyโดยStephen J. Gouldและบทความ"Evolution and Tinkering" ^{[ 28 ]}โดยFrançois Jacob Gould ได้ลบล้างการตีความของ Haeckel เกี่ยวกับคัพภวิทยาเชิงวิวัฒนาการ ในขณะที่ Jacob ได้เสนอทฤษฎีทางเลือก^{[ 10 ]} ซึ่งนำไปสู่การสังเคราะห์ครั้งที่สอง [ ^{29 ] [ 30 ]}ในที่สุดก็รวมถึงคัพภวิทยา ตลอดจนพันธุศาสตร์^{โมเลกุล}วิวัฒนาการชาติพันธุ์ และชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการ เพื่อสร้าง evo-devo ^{[ 31 ] [ 32 ]}ในปี พ.ศ. 2521 Edward B. Lewisได้ค้นพบยีนโฮมีโอติก ที่ควบคุมการพัฒนาของตัวอ่อนในแมลงวันผลไม้ Drosophilaซึ่งเช่นเดียวกับแมลงทั้งหมดเป็นอา ร์โทรพอด ซึ่งเป็นหนึ่งใน ไฟลัมหลักของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง^{[ 33 ]}บิล แม็กกินนิสค้นพบลำดับยีนโฮมีโอติก หรือโฮมีโอโบกซ์ในสัตว์ในไฟลัมอื่นๆ อย่างรวดเร็ว ในสัตว์มีกระดูกสันหลังเช่นกบ นกและสัตว์ เลี้ยง ลูกด้วยนมต่อมายังพบในเชื้อราเช่นยีสต์และในพืชอีกด้วย^{[ 34 ] [ 35 ]}เห็นได้ชัดว่ามีความคล้ายคลึงกันอย่างมากในยีนที่ควบคุมการพัฒนาในยูคาริโอตทั้งหมด^{[ 36 ]} ในปี 1980 คริสเตียน นุสส์ไลน์-โวลฮาร์ดและเอริค วีสเชาส์ได้อธิบายถึงยีนช่องว่างซึ่งช่วยสร้างรูปแบบการแบ่งส่วนในตัวอ่อนแมลงวันผลไม้ [ ^{37 ] [ 38 ]}พวกเขาและลูอิสได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานของพวกเขาในปี^{1995 [ 34 ] [ 39 ]}

ต่อมามีการค้นพบความคล้ายคลึงที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น เช่น ยีน distal-lessถูกพบในปี 1989 ว่ามีส่วนเกี่ยวข้องกับการพัฒนาของระยางค์หรือแขนขาในแมลงวันผลไม้^{[ 40 ]}ครีบของปลา ปีกของไก่พาราโพเดียของหนอนทะเล แอนเน ลิดแอมพูลลาและไซฟอนของทูนิเคต และเท้าท่อของเม่นทะเลเป็นที่ชัดเจนว่ายีนนี้ต้องมีอายุเก่าแก่ ย้อนกลับไปถึงบรรพบุรุษร่วมสุดท้ายของสัตว์ที่มีสมมาตรสองด้าน (ก่อน ยุค เอเดียคารันซึ่งเริ่มต้นเมื่อประมาณ 635 ล้านปีก่อน) วิวัฒนาการและการพัฒนาได้เริ่มเปิดเผยวิธีการสร้างร่างกายของสัตว์ทุกชนิดในระหว่างการพัฒนา^{[ 41 ] [ 42 ]}

ไข่ทรงกลมโดยประมาณของสัตว์ต่าง ๆ ก่อให้เกิดรูปร่างที่แตกต่างกัน ตั้งแต่แมงกะพรุนไปจนถึงกุ้งมังกร ผีเสื้อไปจนถึงช้าง สิ่งมีชีวิตเหล่านี้จำนวนมากมียีนโครงสร้างเดียวกันสำหรับโปรตีนที่สร้างร่างกายเช่นคอลลาเจนและเอนไซม์ แต่เหล่านักชีววิทยาคาดหวังว่าสัตว์แต่ละกลุ่มจะมีกฎการพัฒนาของตัวเอง ความประหลาดใจของวิวัฒนาการและการพัฒนาคือรูปร่างของร่างกายถูกควบคุมโดยยีนเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ และยีนควบคุมเหล่านี้เป็นยีนโบราณที่สัตว์ทุกชนิดมีร่วมกันยีราฟไม่มียีนสำหรับคอยาว เช่นเดียวกับที่ช้างไม่มียีนสำหรับลำตัวใหญ่ ร่างกายของพวกมันถูกกำหนดรูปแบบโดยระบบการสลับซึ่งทำให้การพัฒนาลักษณะต่าง ๆ เริ่มต้นเร็วขึ้นหรือช้าลง เกิดขึ้นในส่วนนี้หรือส่วนนั้นของตัวอ่อน และดำเนินต่อไปเป็นระยะเวลามากหรือน้อย^{[ 9 ]}

ปริศนาเกี่ยวกับการควบคุมการพัฒนาของตัวอ่อนเริ่มได้รับการแก้ไขโดยใช้แมลงวันผลไม้Drosophila melanogasterเป็นแบบจำลองสิ่งมีชีวิต การควบคุม การเกิดตัวอ่อนทีละขั้นตอนได้รับการแสดงให้เห็นโดยการติด สี ย้อมเรืองแสงที่มีสีต่างกันเข้ากับโปรตีนชนิดเฉพาะที่สร้างขึ้นโดยยีนที่แสดงออกในตัวอ่อน^{[ 9 ]} โดยทั่วไปแล้ว สีย้อมเช่นโปรตีนเรืองแสงสีเขียวซึ่งเดิมมาจากแมงกะพรุนจะถูกติดเข้ากับแอนติบอดีที่จำเพาะต่อโปรตีนของแมลงวันผลไม้ ทำให้เกิดตัวบ่งชี้ที่แม่นยำว่าโปรตีนนั้นปรากฏขึ้นที่ใดและเมื่อใดในตัวอ่อนที่มีชีวิต^{[ 43 ]}

ด้วยเทคนิคดังกล่าว ในปี 1994 Walter Gehringพบว่า ยีน pax-6ซึ่งมีความสำคัญต่อการสร้างดวงตาของแมลงวันผลไม้ ตรงกับยีนสร้างดวงตาในหนูและมนุษย์อย่างแม่นยำ ยีนเดียวกันนี้ถูกพบอย่างรวดเร็วในสัตว์กลุ่มอื่นๆ อีกมากมาย เช่นปลาหมึกซึ่ง เป็นหอยในกลุ่ม เซฟาโลพอดนักชีววิทยาหลายคน รวมถึงErnst Mayrเชื่อว่าดวงตาเกิดขึ้นในอาณาจักรสัตว์อย่างน้อย 40 ครั้ง เนื่องจากกายวิภาคของดวงตาประเภทต่างๆ แตกต่างกันอย่างมาก^{[ 9 ]}ตัวอย่างเช่นดวงตาประกอบ ของแมลงวันผลไม้ ประกอบด้วยโครงสร้างเลนส์ขนาดเล็กหลายร้อยอัน ( ommatidia ) ดวงตาของมนุษย์มีจุดบอดตรงที่เส้นประสาทตาเข้าสู่ดวงตา และเส้นใยประสาทวิ่งผ่านพื้นผิวของเรตินาดังนั้นแสงจึงต้องผ่านชั้นของเส้นใยประสาทก่อนที่จะไปถึงเซลล์ตรวจจับในเรตินา ดังนั้นโครงสร้างจึงมีลักษณะ "กลับหัว" ในทางตรงกันข้าม ดวงตาของเซฟาโลพอดมีเรตินา จากนั้นเป็นชั้นของเส้นใยประสาท จากนั้นเป็นผนังของดวงตา "ในทิศทางที่ถูกต้อง" ^{[ 44 ]} อย่างไรก็ตาม หลักฐานของpax-6แสดงให้เห็นว่ายีนเดียวกันควบคุมการพัฒนาของดวงตาของสัตว์เหล่านี้ทั้งหมด ซึ่งบ่งชี้ว่าพวกมันทั้งหมดวิวัฒนาการมาจากบรรพบุรุษร่วมกัน^{[ 9 ]}ยีนโบราณได้รับการอนุรักษ์ไว้ตลอดวิวัฒนาการหลายล้านปีเพื่อสร้างโครงสร้างที่แตกต่างกันสำหรับฟังก์ชันที่คล้ายคลึงกัน แสดงให้เห็นถึงความเหมือนกันอย่างลึกซึ้งระหว่างโครงสร้างที่เคยคิดว่าเป็นเพียงความคล้ายคลึงกันเท่านั้น^{[ 45 ] [ 46 ]}แนวคิดนี้ได้รับการขยายไปสู่วิวัฒนาการของการเกิดตัวอ่อน ในภายหลัง ^{[ 47 ]}และทำให้เกิดการแก้ไขความหมายของความเหมือนกันในชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการอย่างรุนแรง^{[ 45 ] [ 46 ] [ 1 ]}

ยีนเพียงส่วนน้อยในจีโนมของสิ่งมีชีวิตควบคุมการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตนั้น ยีนเหล่านี้เรียกว่าชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมเพื่อการพัฒนา (developmental-genetic toolkit) ยีนเหล่านี้มีการอนุรักษ์ไว้อย่างสูงในกลุ่มไฟลัมต่างๆหมายความว่าพวกมันมีมาแต่โบราณและคล้ายคลึงกันมากในกลุ่มสัตว์ที่อยู่ห่างไกลกัน ความแตกต่างในการใช้งานของยีนในชุดเครื่องมือส่งผลต่อโครงสร้างร่างกาย จำนวน ชนิด และรูปแบบของส่วนต่างๆ ของร่างกาย ยีนในชุดเครื่องมือส่วนใหญ่เป็นส่วนหนึ่งของวิถีการส่งสัญญาณ : พวกมันเข้ารหัสปัจจัยการ ถอดรหัส โปรตีนยึดเกาะเซลล์ โปรตีน ตัวรับบนพื้นผิวเซลล์และลิแกนด์ ส่งสัญญาณ ที่จับกับพวกมัน รวมถึงมอร์โฟเจนที่หลั่งออกมาและแพร่กระจายไปทั่วตัวอ่อน ทั้งหมดนี้ช่วยกำหนดชะตากรรมของเซลล์ที่ยังไม่แตกต่างในตัวอ่อน ร่วมกันพวกมันสร้างรูปแบบในเวลาและพื้นที่ซึ่งกำหนดรูปร่างของตัวอ่อน และในที่สุดก็ก่อให้เกิดโครงสร้างร่างกายของสิ่งมีชีวิต ในบรรดายีนในชุดเครื่องมือที่สำคัญที่สุดได้แก่ยีนHoxปัจจัยการถอดรหัสเหล่านี้มี โมทีฟ DNA ที่จับกับโปรตีน โฮมีโอโบกซ์ซึ่งพบได้ในยีนชุดเครื่องมืออื่นๆ ด้วย และสร้างรูปแบบพื้นฐานของร่างกายตามแกนหน้า-หลัง^{[ 1 ]} ยีน Hox กำหนดตำแหน่งที่ส่วนที่ซ้ำกัน เช่นกระดูกสันหลัง จำนวนมาก ของงูจะเติบโตในเอ็มบริโอหรือตัวอ่อนที่กำลังพัฒนา^{[ 9 ]} Pax-6ที่กล่าวถึงไปแล้ว เป็นยีนชุดเครื่องมือแบบคลาสสิก^{[ 48 ]}แม้ว่ายีนชุดเครื่องมืออื่นๆ จะมีส่วนเกี่ยวข้องในการสร้างโครงสร้างร่างกาย ของพืช [ ^{49 ]} แต่ยีน โฮมีโอโบก ซ์ก็พบได้ในพืชเช่นกัน ซึ่งหมายความ ^ว่า ยีนเหล่านี้มีอยู่ในยูคาริโอต ทั้งหมด ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}

ผลิตภัณฑ์โปรตีนของชุดเครื่องมือควบคุมไม่ได้ถูกนำกลับมาใช้ใหม่โดยการทำซ้ำและการดัดแปลง แต่โดยโมเสกที่ซับซ้อนของพลีโอโทรปี กล่าวคือ ถูกนำไปใช้โดยไม่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการพัฒนาอิสระหลายอย่าง ทำให้เกิดรูปแบบในโครงสร้างร่างกายที่แตกต่างกันหลายอย่าง^{[ 1 ]}ตำแหน่งของยีนชุดเครื่องมือพลีโอโทรปีเหล่านี้มีองค์ประกอบควบคุมซิส ขนาดใหญ่ ซับซ้อน และเป็นแบบโมดูลาร์ ตัวอย่างเช่น ในขณะที่ยีน โรดอปซินที่ไม่พลีโอโทรปีในแมลงวันผลไม้มีองค์ประกอบควบคุมซิสที่มีความยาว เพียงไม่กี่ร้อย คู่เบส แต่ บริเวณควบคุมซิสของยีนeyeless ที่พลีโอโทรปีนั้นมีองค์ประกอบควบคุมซิส 6 ตัวในความยาวมากกว่า 7000 คู่เบส ^{[ 1 ]}เครือข่ายควบคุมที่เกี่ยวข้องมักมีขนาดใหญ่มาก โปรตีนควบคุมแต่ละตัวควบคุมองค์ประกอบควบคุมซิส "หลายสิบถึงหลายร้อย" ตัว ตัวอย่างเช่น ปัจจัยการถอดรหัสของแมลงวันผลไม้ 67 ตัวควบคุมยีนเป้าหมายโดยเฉลี่ย 124 ยีนต่อตัว^{[ 1 ]}ความซับซ้อนทั้งหมดนี้ทำให้ยีนที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาของตัวอ่อนสามารถเปิดและปิดได้ในเวลาที่เหมาะสมและในสถานที่ที่เหมาะสม ยีนบางส่วนเหล่านี้เป็นยีนโครงสร้างที่สร้างเอนไซม์ เนื้อเยื่อ และอวัยวะของตัวอ่อนโดยตรง แต่ยีนอื่นๆ อีกมากมายเป็นยีนควบคุม ดังนั้นสิ่งที่ถูกเปิดใช้งานมักจะเป็นลำดับการเปิดปิดที่กำหนดเวลาอย่างแม่นยำ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปิดกระบวนการพัฒนาทีละอย่างในตัวอ่อนที่กำลังพัฒนา^{[ 1 ]}

เครือข่ายควบคุมแบบเรียงลำดับดังกล่าวได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในการพัฒนาตัวอ่อนของแมลงวันผลไม้ตัวอ่อนที่ยังเล็กมีรูปร่างเป็นรูปไข่คล้ายลูกรักบี้ยีนจำนวนเล็กน้อยสร้างอาร์เอ็นเอส่งสารที่สร้างความเข้มข้นไล่ระดับตามแกนยาวของตัวอ่อน ในตัวอ่อนระยะแรก ยีน bicoidและhunchbackมีความเข้มข้นสูงใกล้กับส่วนหน้า และให้รูปแบบแก่ส่วนหัวและอกในอนาคต ยีน caudalและnanosมีความเข้มข้นสูงใกล้กับส่วนท้าย และให้รูปแบบแก่ส่วนท้องส่วนท้ายสุด ผลกระทบของยีนเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กัน ตัวอย่างเช่น โปรตีน Bicoid จะปิดกั้นการแปล อาร์เอ็นเอ ส่งสารของcaudalดังนั้นความเข้มข้นของโปรตีน Caudal จึงต่ำที่ส่วนหน้า ต่อมา Caudal จะเปิดใช้งานยีนที่สร้างส่วนท้ายสุดของแมลงวัน แต่เฉพาะที่ส่วนท้ายซึ่งมีความเข้มข้นสูงสุด^{[ 53 ] [ 54 ]}

โปรตีน Bicoid, Hunchback และ Caudal จะควบคุมการถอดรหัสของยีน gapเช่นgiant , knirps , Krüppelและtaillessในรูปแบบลายทาง ทำให้เกิดโครงสร้างระดับแรกที่จะกลายเป็นส่วนต่างๆ^{[ 37 ]}โปรตีนเหล่านี้จะควบคุมยีน pair-ruleซึ่งในขั้นตอนต่อไปจะสร้างแถบ 7 แถบตามแกนยาวของตัวอ่อน สุดท้าย ยีน segment polarity เช่นengrailedจะแบ่งแต่ละแถบทั้ง 7 แถบออกเป็นสองส่วน ทำให้เกิดส่วนต่างๆ ในอนาคต 14 ส่วน^{[ 53 ] [ 54 ]}

กระบวนการนี้อธิบายถึงการอนุรักษ์ลำดับยีนชุดเครื่องมืออย่างแม่นยำ ซึ่งส่งผลให้เกิดความเหมือนกันอย่างลึกซึ้งและความเท่าเทียมกันในการทำงานของโปรตีนชุดเครื่องมือในสัตว์ที่แตกต่างกัน (ตัวอย่างเช่น เมื่อโปรตีนของหนูควบคุมการพัฒนาของแมลงวันผลไม้) ปฏิสัมพันธ์ของปัจจัยการถอดรหัสและองค์ประกอบควบคุมซิส หรือของโปรตีนส่งสัญญาณและตัวรับ จะถูกล็อกไว้ผ่านการใช้งานหลายครั้ง ทำให้การกลายพันธุ์เกือบทุกชนิดเป็นอันตรายและถูกกำจัดโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติ^{[ 1 ]}

กลไกที่กำหนด แกนหน้า-หลังของ สัตว์ ทุกชนิดนั้น เหมือนกัน ซึ่งบ่งชี้ถึงบรรพบุรุษร่วมกัน มีกลไกที่คล้ายกันสำหรับแกนหลัง-ท้องสำหรับ สัตว์ ที่มีสมมาตรสองด้านแต่จะกลับกันระหว่างสัตว์ขาปล้องและสัตว์มีกระดูกสันหลัง [ ^{55 ] กระบวนการ}อีกอย่างหนึ่งคือการเกิดแกสตรูเลชันของตัวอ่อน ซึ่งขับเคลื่อนโดย มอเตอร์โมเลกุล ไมโอซิน IIซึ่งไม่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ในสปีชีส์ต่างๆ กระบวนการนี้อาจเริ่มต้นจากการเคลื่อนที่ของน้ำทะเลในสิ่งแวดล้อม ต่อมาถูกแทนที่ด้วยวิวัฒนาการของการเคลื่อนที่ของเนื้อเยื่อในตัวอ่อน^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

เฮลิโคเนียส เอราโต

เฮลิโคเนียส เมลโปเมเน

ผีเสื้อสกุลHeliconiusต่างชนิดกัน ได้ วิวัฒนาการรูปแบบที่คล้ายคลึงกันโดยอิสระ ซึ่งเห็นได้ชัดว่าได้รับอิทธิพลและถูกจำกัดโดย ยีน ในชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมที่ควบคุมการสร้างรูปแบบ ปีก

ความแปรผันในชุดเครื่องมืออาจเป็นส่วนสำคัญของการวิวัฒนาการทางสัณฐานวิทยาของสัตว์ ชุดเครื่องมือสามารถขับเคลื่อนวิวัฒนาการได้สองวิธี ยีนชุดเครื่องมือสามารถแสดงออกในรูปแบบที่แตกต่างกัน เช่น เมื่อจงอยปากของนกฟินช์พื้นดินขนาดใหญ่ ของดาร์วิน ขยายใหญ่ขึ้นโดยยีนBMP ^{[ 63 ]}หรือเมื่องูสูญเสียขาเนื่องจาก ยีน distal-lessแสดงออกน้อยลงหรือไม่แสดงออกเลยในบริเวณที่สัตว์เลื้อยคลานชนิดอื่นยังคงสร้างแขนขา^{[ 64 ]}หรือยีนชุดเครื่องมือสามารถได้รับหน้าที่ใหม่ ดังที่เห็นได้จากหน้าที่มากมายของยีนdistal-less เดียวกัน ซึ่งควบคุมโครงสร้างที่หลากหลาย เช่น ขากรรไกรในสัตว์มีกระดูกสันหลัง^{[ 65 ] [ 66 ]}ขาและหนวดในแมลงวันผลไม้^{[ 67 ]}และรูปแบบจุดตาบนปีกผีเสื้อ [ ^{68 ] เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในยีนชุดเครื่องมือสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญใน โครงสร้าง}ร่างกาย จึงมักทำให้เกิดหน้าที่เดียวกันแบบบรรจบกันหรือแบบขนานdistal-less ^{สร้าง}รูปแบบปีกในผีเสื้อHeliconius eratoและHeliconius melpomeneซึ่งเป็นผีเสื้อเลียนแบบ Müllerianในสิ่งที่เรียกว่าการแปรผันที่อำนวยความสะดวก [ ^{69 ]}รูปแบบปีกของพวกมันเกิดขึ้นในเหตุการณ์วิวัฒนาการที่แตกต่างกัน แต่ถูกควบคุมโดยยีนเดียวกัน^{[ 70 ]}การเปลี่ยนแปลงการพัฒนาสามารถมีส่วนช่วยโดยตรงต่อการเกิดสปีชีส์^{[ 71 ]}

นวัตกรรมเชิงวิวัฒนาการบางครั้งอาจเริ่มต้นในรูปแบบลามาร์คด้วย การเปลี่ยนแปลง ทางพันธุกรรมของการควบคุมยีนหรือการสร้างฟีโนไทป์ซึ่งต่อมาได้รับการเสริมความแข็งแกร่งด้วยการเปลี่ยนแปลงในระดับยีนการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมรวมถึงการดัดแปลง DNA โดยการเติมหมู่เมทิลแบบย้อนกลับได้^{[ 72 ]}ตลอดจนการปรับเปลี่ยนรูปร่างของสิ่งมีชีวิตโดยไม่เป็นไปตามโปรแกรมโดยผลกระทบทางกายภาพและสิ่งแวดล้อมอื่นๆ อันเนื่องมาจากความยืดหยุ่น โดยธรรมชาติ ของกลไกการพัฒนา^{[ 73 ]}นักชีววิทยาStuart A. NewmanและGerd B. Müllerได้เสนอแนะว่าสิ่งมีชีวิตในช่วงต้นของประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์มีความอ่อนไหวต่อการกำหนดทางพันธุกรรมประเภทที่สองนี้มากกว่าสิ่งมีชีวิตในปัจจุบัน ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการเปลี่ยนแปลงวิวัฒนาการระดับมหภาค ในยุคแรก ^{[ 74 ]}

การพัฒนาในสายพันธุ์เฉพาะอาจมีอคติไปในทางบวก มุ่งไปสู่เส้นทางหรือฟีโนไทป์ที่กำหนด^{[ b ]}หรือในทางลบ หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงบางประเภท อาจเป็นแบบสัมบูรณ์ (การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเสมอหรือไม่เคยเกิดขึ้นเลย) หรือแบบสัมพัทธ์ อย่างไรก็ตาม หลักฐานสำหรับทิศทางดังกล่าวในการวิวัฒนาการนั้นหาได้ยาก และอาจเป็นผลมาจากข้อจำกัดในการพัฒนาที่จำกัดความหลากหลาย^{[ 47 ]}ตัวอย่างเช่น ในหอยทากเปลือกแบบหอยทากมักสร้างเป็นท่อที่เติบโตทั้งความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลาง การคัดเลือกได้สร้างรูปทรงเปลือกที่หลากหลาย เช่น เกลียวแบน เปลือกหอยเบี้ยและเกลียวหอคอยสูง ภายใต้ข้อจำกัดเหล่านี้ ในกลุ่มตะขาบ Lithobiomorpha จะมีปล้องลำตัว 15 ปล้องเมื่อโตเต็มวัย ซึ่งอาจเป็นผลมาจากอคติ ในการพัฒนาไปสู่จำนวนปล้องลำตัวที่เป็นเลขคี่ ตะขาบอีกอันดับหนึ่งคือGeophilomorphaจำนวนปล้องแตกต่างกันไปในแต่ละชนิด โดยอยู่ระหว่าง 27 ถึง 191 แต่จำนวนปล้องจะเป็นเลขคี่เสมอ ทำให้เป็นข้อจำกัดที่แน่นอน เกือบทุกจำนวนคี่ในช่วงนั้นถูกครอบครองโดยชนิดใดชนิดหนึ่ง^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]}