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身體對稱性和表麵張力有什麽關係

來源:寰宇科學新觀察 瀏覽 97 次 發布時間:2022-05-17

表麵張力,允許水漫過杯子口些許而不會溢出來,允許像水黽這樣的昆蟲在水麵上行走,而這種物理現象也會影響人體的對稱性。在最近的《自然》(Nature)上的一項新研究中,來自瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家們將表麵張力影響人體對稱性的發現,表述為“類似於一種自然的自我糾正”。

脊椎動物的手臂、腿、鰭或翅膀整齊地排列在軀幹的兩側。雖然這種對稱性看似不起眼,卻又十分自然,但每個物種有序的結構特征實際上是胚胎形成過程中一係列複雜過程的結果。在這項研究中,科學家們展示了表麵張力——一種完全機械的力——是如何影響體節(驅動肢芽發育的胚胎構造塊)的最終位置和縱向對稱性的。


這個新發現為生命的早期階段提供了新的見解,首次證明了所有胚胎組織中的表麵張力是如何驅動脊椎動物發育的關鍵過程的。

體節是出現在神經管左右兩側的微小塊狀結構,神經管是中樞神經係統的前身。在胚胎發育的早期階段,體節沿著體軸有節奏地、順序地形成。這些微小的突起是肌肉骨骼係統的起點,形成左右對稱的分段肋骨、脊柱及其相關肌肉,這是所有脊椎動物的共同特征。長期以來,人們一直認為體節的最終左右對稱性非常精確,這是由於遺傳振蕩器的作用,即所謂的分段時鍾。然而,事實證明,這種教科書觀點是錯誤的。

研究人員解釋說:“有時,體節最初會在長度不均勻、形狀不對稱的兩側形成。”在他們的研究中,科學家們開始了解這種早期變異最終如何發展為身體對稱的。


科學家們使用各種成像技術來研究斑馬魚胚胎。他們觀察到一個過程,即這種不精確的模式很快自我糾正,體節在形成後約一小時左右在神經管兩側的長度和分布變得均勻。他們還發現,盡管這些微小結構的長度發生了變化,但它們的體積保持不變。

隨著長度的變化,它們的高度和寬度會進行調整以進行補償。這些初步觀察結果使研究人員得出結論,這些變化可能是由表麵張力驅動的,表麵張力是所有胚胎組織共有的一種物理化學性質,與液體與其環境相互作用的方式有關。為了保持相同分子之間的內聚力,表麵的分子具有稍高的能量。係統的這種結構朝著消耗最少能量的穩定配置移動。這反過來會導致表層收縮和凸起。

研究人員進行了一係列體內和體外實驗,以證明生物表麵張力和對稱性之間的聯係。例如,在一個實驗中,他們觀察到實驗室培養的體節呈現出與葉子上露珠相同的圓形外觀。但表麵張力是否能提供足夠的力來恢複這些結構的長度?


多虧了已知對表麵張力有影響的蛋白質引發的破壞,研究小組證明體節不再是相同的長度。因此,在下一階段的研究中,他們使用計算機建模技術來比較和審查不同的模型,開發自動算法來篩選和分析數TB的成像數據。研究結果表明,組織力學在精確測量組織形狀和大小方麵的作用可以應用於類器官係統,但在這些係統中,實現精確的組織形狀仍然是一個尚未解決的問題。

所有的觀察結果都指向同一個方向:表麵張力有助於糾正長度和對稱性方麵的錯誤。盡管這項研究專門針對斑馬魚胚胎,但研究結果可能具有普遍意義。表麵張力在所有物種的發育組織中都很常見,這一事實表明,這種自我糾正過程也可能發生在其他脊椎動物身上。


科學家們計劃繼續他們的研究,以解決關於身體對稱起源的其他未解問題。例如,在演示了表麵張力如何影響這些基本構件的形狀和對稱性之後,團隊仍然需要了解軀幹兩側大小相等的肢體是如何以及為什麽會發育的。

“這是凯发K8国际手机网页的下一個大挑戰,”研究人員說。他們的研究可能會提供對其他有趣問題的洞察,比如為什麽相對較遠的器官(如眼睛和耳朵)在形狀上是對稱的,以及身體的對稱性如何與其他器官(如心髒和胃)的不對稱定位相協調。