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身體對(duì)稱性和表面張力有什么關(guān)系

來(lái)源:寰宇科學(xué)新觀察 瀏覽 822 次 發(fā)布時(shí)間:2022-05-17

表面張力,允許水漫過(guò)杯子口些許而不會(huì)溢出來(lái),允許像水黽這樣的昆蟲(chóng)在水面上行走,而這種物理現(xiàn)象也會(huì)影響人體的對(duì)稱性。在最近的《自然》(Nature)上的一項(xiàng)新研究中,來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們將表面張力影響人體對(duì)稱性的發(fā)現(xiàn),表述為“類似于一種自然的自我糾正”。

脊椎動(dòng)物的手臂、腿、鰭或翅膀整齊地排列在軀干的兩側(cè)。雖然這種對(duì)稱性看似不起眼,卻又十分自然,但每個(gè)物種有序的結(jié)構(gòu)特征實(shí)際上是胚胎形成過(guò)程中一系列復(fù)雜過(guò)程的結(jié)果。在這項(xiàng)研究中,科學(xué)家們展示了表面張力——一種完全機(jī)械的力——是如何影響體節(jié)(驅(qū)動(dòng)肢芽發(fā)育的胚胎構(gòu)造塊)的最終位置和縱向?qū)ΨQ性的。


這個(gè)新發(fā)現(xiàn)為生命的早期階段提供了新的見(jiàn)解,首次證明了所有胚胎組織中的表面張力是如何驅(qū)動(dòng)脊椎動(dòng)物發(fā)育的關(guān)鍵過(guò)程的。

體節(jié)是出現(xiàn)在神經(jīng)管左右兩側(cè)的微小塊狀結(jié)構(gòu),神經(jīng)管是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的前身。在胚胎發(fā)育的早期階段,體節(jié)沿著體軸有節(jié)奏地、順序地形成。這些微小的突起是肌肉骨骼系統(tǒng)的起點(diǎn),形成左右對(duì)稱的分段肋骨、脊柱及其相關(guān)肌肉,這是所有脊椎動(dòng)物的共同特征。長(zhǎng)期以來(lái),人們一直認(rèn)為體節(jié)的最終左右對(duì)稱性非常精確,這是由于遺傳振蕩器的作用,即所謂的分段時(shí)鐘。然而,事實(shí)證明,這種教科書(shū)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

研究人員解釋說(shuō):“有時(shí),體節(jié)最初會(huì)在長(zhǎng)度不均勻、形狀不對(duì)稱的兩側(cè)形成。”在他們的研究中,科學(xué)家們開(kāi)始了解這種早期變異最終如何發(fā)展為身體對(duì)稱的。


科學(xué)家們使用各種成像技術(shù)來(lái)研究斑馬魚(yú)胚胎。他們觀察到一個(gè)過(guò)程,即這種不精確的模式很快自我糾正,體節(jié)在形成后約一小時(shí)左右在神經(jīng)管兩側(cè)的長(zhǎng)度和分布變得均勻。他們還發(fā)現(xiàn),盡管這些微小結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度發(fā)生了變化,但它們的體積保持不變。

隨著長(zhǎng)度的變化,它們的高度和寬度會(huì)進(jìn)行調(diào)整以進(jìn)行補(bǔ)償。這些初步觀察結(jié)果使研究人員得出結(jié)論,這些變化可能是由表面張力驅(qū)動(dòng)的,表面張力是所有胚胎組織共有的一種物理化學(xué)性質(zhì),與液體與其環(huán)境相互作用的方式有關(guān)。為了保持相同分子之間的內(nèi)聚力,表面的分子具有稍高的能量。系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)朝著消耗最少能量的穩(wěn)定配置移動(dòng)。這反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致表層收縮和凸起。

研究人員進(jìn)行了一系列體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn),以證明生物表面張力和對(duì)稱性之間的聯(lián)系。例如,在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,他們觀察到實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的體節(jié)呈現(xiàn)出與葉子上露珠相同的圓形外觀。但表面張力是否能提供足夠的力來(lái)恢復(fù)這些結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度?


多虧了已知對(duì)表面張力有影響的蛋白質(zhì)引發(fā)的破壞,研究小組證明體節(jié)不再是相同的長(zhǎng)度。因此,在下一階段的研究中,他們使用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)來(lái)比較和審查不同的模型,開(kāi)發(fā)自動(dòng)算法來(lái)篩選和分析數(shù)TB的成像數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明,組織力學(xué)在精確測(cè)量組織形狀和大小方面的作用可以應(yīng)用于類器官系統(tǒng),但在這些系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)精確的組織形狀仍然是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題。

所有的觀察結(jié)果都指向同一個(gè)方向:表面張力有助于糾正長(zhǎng)度和對(duì)稱性方面的錯(cuò)誤。盡管這項(xiàng)研究專門(mén)針對(duì)斑馬魚(yú)胚胎,但研究結(jié)果可能具有普遍意義。表面張力在所有物種的發(fā)育組織中都很常見(jiàn),這一事實(shí)表明,這種自我糾正過(guò)程也可能發(fā)生在其他脊椎動(dòng)物身上。


科學(xué)家們計(jì)劃繼續(xù)他們的研究,以解決關(guān)于身體對(duì)稱起源的其他未解問(wèn)題。例如,在演示了表面張力如何影響這些基本構(gòu)件的形狀和對(duì)稱性之后,團(tuán)隊(duì)仍然需要了解軀干兩側(cè)大小相等的肢體是如何以及為什么會(huì)發(fā)育的。

“這是我們的下一個(gè)大挑戰(zhàn),”研究人員說(shuō)。他們的研究可能會(huì)提供對(duì)其他有趣問(wèn)題的洞察,比如為什么相對(duì)較遠(yuǎn)的器官(如眼睛和耳朵)在形狀上是對(duì)稱的,以及身體的對(duì)稱性如何與其他器官(如心臟和胃)的不對(duì)稱定位相協(xié)調(diào)。