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当我们习惯了对称的面容、躯干和双手双脚时,你是否思考过,这种对称性是如何起源的呢?
撰文 | 二七
审校 | 王怡博
在大约5.5亿年前的一片浅水中,一条长长的“麦穗”正在水底蠕动,在它身后的沉积物表面留下了长长的痕迹。
这是一条夷陵虫(Yilingia spiciformis),它的整个身体看起来像是一根长长的麦穗。尽管它的长相与人类,乃至我们熟悉的许多动物绝无相似之处,但这位5.5亿年前的生命先驱已经拥有了现代绝大多数动物的共同特征——两侧对称
夷陵虫复原图(图片来源:南京古生物所/陈哲)
以脊椎动物为例,无论拥有的是四肢、鳍还是翅膀,它们都整齐地排列在躯干两侧,而且大小、位置和形状都基本相同。长期以来,我们对身体外形的两侧对称习以为常,这样的特性甚至可能在潜移默化中成为了我们审美的重要标准——尤其对“强迫症”来说。
然而这样广泛存在于动物间的基本结构,实际上是胚胎形成和发育过程中一系列复杂过程的结果。最近,发表于《自然》的一项研究发现,我们拥有对称的身体外形,不仅是由基因等生物分子导致的,机械力也发挥着重要的作用
一生中真正重要的时刻

在生命最初的阶段,胚胎就像一个圆圆的球,由许多细胞组成。不用说两侧对称了,连头尾和背腹都分不出来。但很快,随着胚胎内的细胞流动,胚胎内逐渐形成了不同的胚层,也出现了头尾和背腹的区别。这个阶段被称为原肠胚时期。
关于原肠胚形成,英国发育生物学家刘易斯·沃尔珀特(Lewis Wolpert)曾有一句广为流传的名言:“你一生中真正最重要的时刻,不是出生,不是结婚,也不是死亡,而是原肠胚形成。”同样,我们两侧对称的外形也是在这个时期奠定了基础。
斑马鱼胚胎中体节的形成过程(视频来源:原论文)
在原肠胚后期,胚胎开始伸长,在背部形成神经管。神经管和下方的脊索共同构成了我们的“中轴线”——这就是我们身体的对称线。就在神经管的两侧,对称分布着两条被称为“准体节中胚层”(PSM)的组织。随着胚胎的发育,从胚胎靠近头部的位置开始,左右两侧的PSM中的细胞会同时开始聚集成团,当这两个细胞团完全成型、脱离PSM后,一对体节(somite)就形成了。
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,一对接一对地形成了。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,segmentation clock)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”
然而,体节在形成时真的是对称的吗?最近,洛桑联邦理工学院的三位生物工程学家和物理学家发现,这个教科书级的认知并不准确。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——一种经常出现在各类生物学实验中的模式生物——胚胎体节的形成过程。他们惊讶地发现,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?
刚形成的体节左右并不对称(上),但一小时后就调整为了对称的形态(下)(图片来源:原论文)
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(指头尾方向的长度)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。
圆圆的露珠
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。水面上常见的水黾,也是依靠水的表面张力获得“水上漂”的本领。
在用牛奶泡谷物圈时,由于表面张力导致的液面变形,谷物圈经常会聚在一起,或是贴着碗边分布,这也被称为“谷物圈效应”。(图片来源:It's Okay To Be Smart
研究团队并不是随便给出了表面张力的猜测。他们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,但体节依然能够维持两侧对称的形态。
实验室培养的体细胞外形呈现出了类似露珠的圆形外观。(视频来源:原论文)
“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,”桑达尔·纳加纳坦(Sundar Naganathan,这研究的共同作者)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。“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他脊椎动物身上。”
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。”
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封面来源:Pixabay
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