专家希望通过研究能够推进生物材料设计和再生医学

　　双鸡胚胎发育的快照。黄色条纹标志着未来的脊髓。

　　生命中最持久、最基本的问题之一是：它是如何发生的?例如，在人类发育过程中，细胞如何自组织成皮肤、肌肉或骨骼?它们是如何形成大脑、手指、脊柱的?

　　尽管这些问题的答案仍然未知，但科学探究的一个方向在于了解原肠胚形成——胚胎细胞从单层发育成具有主体轴的多维结构的阶段。在人类中，原肠胚形成发生在受孕后 14 天左右。

　　在这个阶段不可能研究人类胚胎，因此加州大学圣地亚哥分校、英国邓迪大学和哈佛大学的研究人员能够研究鸡胚胎的原肠胚形成，这与这个阶段的人类胚胎有很多相似之处。

　　这项研究是通过加州大学圣地亚哥分校物理学助理教授马蒂亚·塞拉(Mattia Serra)所说的理想循环进行的：理论和实验科学的跨学科、来回结合。马蒂亚是一位理论家，热衷于寻找复杂生物物理系统中的涌现模式。

　　在这里，他和他的团队根据邓迪大学生物学家的意见建立了一个数学模型。该模型能够准确预测在显微镜下观察到的原肠胚形成流(整个鸡胚中数万个细胞的运动)。这是自组织数学模型首次能够在鸡胚胎中重现这些流动。

　　然后，生物学家想看看该模型是否不仅可以复制他们通过实验得知的真实情况，还可以预测在不同条件下可能发生的情况。塞拉的团队“扰动”了模型——换句话说，改变了初始条件或当前参数。

　　理想循环：左侧的数学模型与实验期间观察到的结果相匹配。

　　结果令人惊讶：该模型产生的细胞流在小鸡中自然观察不到，但在其他两种脊椎动物——青蛙和鱼中观察到。

　　为了确保这些结果不是模型的数学幻想，生物学合作者在实验室的鸡胚胎上模拟了模型的精确扰动。引人注目的是，这些经过改造的鸡胚还表现出在鱼和青蛙中自然观察到的原肠胚形成流。

　　这些发表在《科学进展》上的发现表明，多细胞自组织背后的相同物理原理可能在脊椎动物物种中进化。

　　“鱼、青蛙和小鸡都生活在不同的环境中，因此随着时间的推移，进化压力可能改变了胚胎发育的参数和初始条件，”塞拉说。“但是一些自组织的核心原则，至少在原肠胚形成的早期阶段，可能在这三个方面是相同的。”

　　塞拉和他的合作者现在正在研究产生胚胎规模自组织模式的其他机制。他们希望这项研究能够推进生物材料设计和再生医学，帮助人类活得更长久、更健康。

　　“人体是现存最复杂的动力系统，”他说。“关于我们的身体，有很多有趣的生物学、物理和数学问题——思考起来很美好。我们能做出的发现是无穷无尽的。”