一直以来,体节被认为是脊椎动物两侧对称的基础。当前一对体节形成后,下一组细胞又会在相邻位置聚集成团,形成下一对体节。如此周而复始,体节就按从头到尾的方向,一对接一对地形成。学界曾认为,在一些呈周期性振荡的生物分子(通常被称为分节时钟)的调控下,每一对体节的形成时间、位置和形态都受到了严格的控制。只有保证了体节在最初形成时的对称,才能进一步发育出我们两侧对称的身体。
体节的“自我纠正”
最近,瑞士洛桑联邦理工学院的3位生物工程学家和物理学家发现,体节也会长歪,只是被“捏”了回来。而把它“捏”回来的并非任何基因等生物分子,而是一种我们熟悉的机械力——表面张力。
起初,研究者只是在观察斑马鱼胚胎体节的形成过程。他们发现,体节的形成并没有那么规则,经常会出现两侧体节“各长各”的情况:刚形成的体节不仅长度不一致,而且形状也不对称。
但是在短短1小时后,体节似乎就迅速完成了“自我纠正”,均匀分布在神经管两侧。在这个过程中,胚胎里究竟发生了什么?
研究者首先试图确认生物信号的影响。为此,他们检测了体节中细胞数量的变化。然而,无论体节的纵向长度是增加还是减少,所有体节中的细胞数量都增加了,而且细胞数量的变化与体节纵向长度的变化之间没有显著的关系。
另一个重要的信号是,研究者发现,即使两侧体节的纵向长度发生了变化,它们的总体体积依然保持不变——当体节的长度改变后,它的高度和宽度也会做相应调整。
这样一来,就像是有一只看不见的手,把两边的体节像揉橡皮泥一样,捏成了对称的形状。那么,这只“手”是什么?研究者给出了一个猜测——表面张力。
表面张力并不罕见
我们对表面张力并不陌生,清晨凝聚在叶片上圆圆的露珠、牛奶表面聚集在一起的谷物圈,都是在表面张力的作用下形成的。
研究团队曾进行过一系列实验,来证明表面张力与生物体形态之间的关系。例如,研究者观察到,实验室培养的体细胞外形呈现出与露珠相同的圆形外观。
但想要证明表面张力是否真的拥有决定体节形态的能力,还需要进一步实验验证。研究者首先破坏了一些能够影响表面张力的蛋白质,从而削弱了体节的表面张力,他们发现神经管两侧的体节明显无法形成对称的形态。作为对比,他们还干扰了胚胎的分节时钟,结果发现尽管体节的长度发生了变化,体节依然能够维持两侧对称的形态。
“我们得出的结论是,表面张力可以帮助纠正体节长度和对称性的错误,”研究共同作者桑达尔·纳加纳坦总结道。尽管他们只针对斑马鱼胚胎进行了实验和深入研究,但研究者依然认为,这一发现很可能具有普遍意义。“表面张力在所有物种的发育组织中都很常见,这种自我纠正过程也可能发生在其它脊椎动物身上。”
接下来,研究者还希望能够继续研究,解决更多关于身体对称性起源的问题。“我们的工作解释了表面张力如何影响这些基本结构的形状和对称性,接下来,要解释四肢的具体形成过程将是一个重大挑战。”而且除了对称性之外,纳加纳坦和同事也在试图理解动物的不对称性,“比如心脏和胃为什么并不对称,在人体发育过程中,这种不对称性又是如何与对称性相协调的。”