科学家的工作包括将液体移入微小试管、分析庞大的数据集以及仔细阅读研究出版物等任务。然而,打破常规是必要的。暂时离开熟悉的工作环境可以激发创造力。例如,实验室的静修为研究人员提供了一个良好的交流平台,常常促成新的合作。
对于奥地利科学技术研究所(ISTA)的Bernat Corominas-Murtra和Edward Hannezo来说,这种交流是非常有效的。
Corominas-Murtra在西班牙的一个合作研究小组的海报会议上被展示的数据集吸引,与荷兰乌得勒支Hubrecht研究所的Takashi Hiragi教授的博士后研究员Dimitri Fabris展开了深入讨论。这场初步的对话最终演变成了《科学》杂志上的一篇文章。
这个国际研究小组建立了早期哺乳动物形态发生的综合图谱,分析了老鼠、兔子和猴子的胚胎在空间和时间上的发育过程。
基于这个图谱,他们发现细胞分裂和运动等个体事件虽然高度混乱,但胚胎作为一个整体最终呈现出相似的形态。借助这个数据集,他们提出了一个物理模型,解释了哺乳动物胚胎如何从混乱中建立起结构。
从单一到多样
动物的胚胎发育始于卵细胞的受精,这一事件引发了一系列连续的细胞分裂,称为卵裂。简单来说,单个细胞分裂成两个,然后两个变成四个,四个变成八个,依此类推。最终,大部分细胞形成一个高度有序的结构,称为囊胚,所有未来的器官和组织均源自囊胚。整个过程被称为形态发生。
“胚胎发育的早期步骤至关重要,因为它们为后续的发育过程奠定了基础,”Hannezo解释道。
例如,在某些动物中,秀丽隐杆线虫——一种透明的蛔虫,也是发育生物学家研究的主要模式生物之一——其早期胚胎的分裂受到良好的调控,并且在不同的胚胎中保持一致,从而产生相同数量的细胞。
然而,在哺乳动物物种中,分裂似乎在时间和方向上更加随机。这引发了一个问题:尽管存在这种随机性,哺乳动物胚胎的发育是如何进行的呢?
详细的胚胎图谱
为了解决这个问题,Hiragi小组开始对多种不同的胚胎进行成像和定量分析,以比较它们在不同哺乳动物物种内部和之间的相似性,从老鼠到兔子和猴子。Dimitri Fabris和他的同事们创造了一种所谓的“形态地图”,用于可视化高维形态数据。
Hannezo解释说:“这是一个成像分析管道,展示了胚胎在时间和空间中的行为——一个胚胎形态发生的精确图谱。”
这张图谱使科学家能够通过解决胚胎间发育变异性等问题来定量分析发育过程。有了这个数据集,科学家们能够定义“正常”的形态发生是什么样子的。
在西班牙的实验室静修中,Fabris展示了这张形态图。数据显示,受精后的第一次分裂在老鼠、兔子和猴子中都没有受到调控。这些细胞随机分裂,直到它们达到8个细胞的阶段,在这个阶段,所有的胚胎突然开始看起来相似。
“胚胎在最初阶段看起来非常不同,但在8个细胞阶段结束时,胚胎似乎向彼此的形状靠拢,”Hannezo继续说。但是,为什么会这样呢?是什么让这种混乱变得有序?
一个胚胎如同魔方的细胞集群优化其结构
Corominas-Murtra和Hannezo都是理论物理学家,他们对这个数据集产生了浓厚的兴趣,并开始从理论的角度理解这一过程。
然而,胚胎的形状非常复杂,难以确定两个胚胎的相似或不同意味着什么。科学家们发现,他们可以通过研究细胞间接触的结构,有效地近似出胚胎结构的复杂性。
“我们认为,通过了解细胞的排列或知道哪些细胞是物理连接的——类似于社交网络中的连接,我们可以得出关于胚胎形态的大多数重要细节。这种方法大大简化了不同胚胎之间的数据分析和比较,”Corominas-Murtra表示。
利用这些信息,科学家们创建了一个简单的物理模型,解释胚胎是如何形成可复制的形状的。该模型表明,物理规律促使胚胎形成哺乳动物共有的特定形态。
通过破坏大多数细胞的排列,除了少数降低胚胎表面能量的选择性排列,细胞之间的物理相互作用可以引导形成一个确定的形状。
换句话说,细胞倾向于越来越多地粘在一起,这个看似简单的过程实际上驱动胚胎通过连续的重新排列达到最理想的结构。就像胚胎自己在解魔方一样。
没有混乱,就没有结构
研究结果提供了一个详细的观察,揭示了哺乳动物胚胎的发展是如何在可变性和稳健性之间取得平衡的。没有混乱,就没有结构;两者相辅相成。它们都是构成“正常”发育的重要组成部分。
Hannezo总结道:“我们终于开始拥有分析形态发生可变性的工具,这对理解发育稳健性的机制至关重要。”随机性似乎是生命世界中产生复杂性的主要力量。
通过获得更多关于正常情况的知识,科学家们也对异常有了更深入的理解。这在疾病研究、再生医学或生育治疗等领域非常有帮助。未来,这些知识可以帮助选择最健康的胚胎进行体外受精(IVF),从而提高植入成功率。
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我是荣品号的签约作者“雨珍”!
希望本篇文章《从混沌到结构:一堆看似杂乱无章的细胞是如何形成一个健壮的胚胎的》能对你有所帮助!
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