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身体对称性和表面张力有什么关系

来源:寰宇科学新观察 浏览 72 次 发布时间:2022-05-17

表面张力,允许水漫过杯子口些许而不会溢出来,允许像水黾这样的昆虫在水面上行走,而这种物理现象也会影响人体的对称性。在最近的《自然》(Nature)上的一项新研究中,来自瑞士洛桑联邦理工学院的科学家们将表面张力影响人体对称性的发现,表述为“类似于一种自然的自我纠正”。

脊椎动物的手臂、腿、鳍或翅膀整齐地排列在躯干的两侧。虽然这种对称性看似不起眼,却又十分自然,但每个物种有序的结构特征实际上是胚胎形成过程中一系列复杂过程的结果。在这项研究中,科学家们展示了表面张力——一种完全机械的力——是如何影响体节(驱动肢芽发育的胚胎构造块)的最终位置和纵向对称性的。


这个新发现为生命的早期阶段提供了新的见解,首次证明了所有胚胎组织中的表面张力是如何驱动脊椎动物发育的关键过程的。

体节是出现在神经管左右两侧的微小块状结构,神经管是中枢神经系统的前身。在胚胎发育的早期阶段,体节沿着体轴有节奏地、顺序地形成。这些微小的突起是肌肉骨骼系统的起点,形成左右对称的分段肋骨、脊柱及其相关肌肉,这是所有脊椎动物的共同特征。长期以来,人们一直认为体节的最终左右对称性非常精确,这是由于遗传振荡器的作用,即所谓的分段时钟。然而,事实证明,这种教科书观点是错误的。

研究人员解释说:“有时,体节最初会在长度不均匀、形状不对称的两侧形成。”在他们的研究中,科学家们开始了解这种早期变异最终如何发展为身体对称的。


科学家们使用各种成像技术来研究斑马鱼胚胎。他们观察到一个过程,即这种不精确的模式很快自我纠正,体节在形成后约一小时左右在神经管两侧的长度和分布变得均匀。他们还发现,尽管这些微小结构的长度发生了变化,但它们的体积保持不变。

随着长度的变化,它们的高度和宽度会进行调整以进行补偿。这些初步观察结果使研究人员得出结论,这些变化可能是由表面张力驱动的,表面张力是所有胚胎组织共有的一种物理化学性质,与液体与其环境相互作用的方式有关。为了保持相同分子之间的内聚力,表面的分子具有稍高的能量。系统的这种结构朝着消耗最少能量的稳定配置移动。这反过来会导致表层收缩和凸起。

研究人员进行了一系列体内和体外实验,以证明生物表面张力和对称性之间的联系。例如,在一个实验中,他们观察到实验室培养的体节呈现出与叶子上露珠相同的圆形外观。但表面张力是否能提供足够的力来恢复这些结构的长度?


多亏了已知对表面张力有影响的蛋白质引发的破坏,研究小组证明体节不再是相同的长度。因此,在下一阶段的研究中,他们使用计算机建模技术来比较和审查不同的模型,开发自动算法来筛选和分析数TB的成像数据。研究结果表明,组织力学在精确测量组织形状和大小方面的作用可以应用于类器官系统,但在这些系统中,实现精确的组织形状仍然是一个尚未解决的问题。

所有的观察结果都指向同一个方向:表面张力有助于纠正长度和对称性方面的错误。尽管这项研究专门针对斑马鱼胚胎,但研究结果可能具有普遍意义。表面张力在所有物种的发育组织中都很常见,这一事实表明,这种自我纠正过程也可能发生在其他脊椎动物身上。


科学家们计划继续他们的研究,以解决关于身体对称起源的其他未解问题。例如,在演示了表面张力如何影响这些基本构件的形状和对称性之后,团队仍然需要了解躯干两侧大小相等的肢体是如何以及为什么会发育的。

“这是我们的下一个大挑战,”研究人员说。他们的研究可能会提供对其他有趣问题的洞察,比如为什么相对较远的器官(如眼睛和耳朵)在形状上是对称的,以及身体的对称性如何与其他器官(如心脏和胃)的不对称定位相协调。