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在大約5.5億年前的一片淺水中，一條夷陵蟲正在水底蠕動。盡管它的長相與人類，乃至我們熟悉的許多動物絕無相似之處，但這位5.5億年前的生命先驅(qū)已經(jīng)擁有了現(xiàn)代絕大多數(shù)動物的共同特征——兩側(cè)對稱。
以脊椎動物為例，無論擁有的是四肢、鰭還是翅膀，它們都整齊地排列在軀干兩側(cè)，而且大小、位置和形狀都基本相同。長期以來，我們對身體外形的兩側(cè)對稱習(xí)以為常，這樣的特性甚至可能在潛移默化中成為了我們審美的重要標(biāo)準(zhǔn)。
然而這樣廣泛存在于動物間的基本結(jié)構(gòu)，實際上是胚胎形成和發(fā)育過程中一系列復(fù)雜過程的結(jié)果。最近，發(fā)表于《自然》的一項研究發(fā)現(xiàn)，我們擁有對稱的身體外形，不僅是由基因等生物分子導(dǎo)致的，機(jī)械力也發(fā)揮著重要的作用。
一生中真正重要的時刻
在生命最初的階段，胚胎就像一個圓圓的球，由許多細(xì)胞組成。不用說兩側(cè)對稱了，連頭尾和背腹都分不出來。但很快，隨著胚胎內(nèi)的細(xì)胞流動，胚胎內(nèi)逐漸形成了不同的胚層，也出現(xiàn)了頭尾和背腹的區(qū)別。這個階段被稱為原腸胚時期。
關(guān)于原腸胚形成，英國發(fā)育生物學(xué)家劉易斯·沃爾珀特曾有一句廣為流傳的名言：“你一生中真正最重要的時刻，不是出生，不是結(jié)婚，也不是死亡，而是原腸胚形成。”同樣，我們兩側(cè)對稱的外形也是在這個時期奠定了基礎(chǔ)。
在原腸胚后期，胚胎開始伸長，在背部形成神經(jīng)管。神經(jīng)管和下方的脊索共同構(gòu)成了我們的“中軸線”——這就是我們身體的對稱線。就在神經(jīng)管的兩側(cè)，對稱分布著兩條被稱為“準(zhǔn)體節(jié)中胚層”（PSM）的組織。隨著胚胎的發(fā)育，從胚胎靠近頭部的位置開始，左右兩側(cè)的PSM中的細(xì)胞會同時開始聚集成團(tuán)，當(dāng)這兩個細(xì)胞團(tuán)完全成型、脫離PSM后，一對體節(jié)就形成了。
一直以來，體節(jié)被認(rèn)為是脊椎動物兩側(cè)對稱的基礎(chǔ)。當(dāng)前一對體節(jié)形成后，下一組細(xì)胞又會在相鄰位置聚集成團(tuán)，形成下一對體節(jié)。如此周而復(fù)始，體節(jié)就按從頭到尾的方向，一對接一對地形成。學(xué)界曾認(rèn)為，在一些呈周期性振蕩的生物分子（通常被稱為分節(jié)時鐘）的調(diào)控下，每一對體節(jié)的形成時間、位置和形態(tài)都受到了嚴(yán)格的控制。只有保證了體節(jié)在最初形成時的對稱，才能進(jìn)一步發(fā)育出我們兩側(cè)對稱的身體。
體節(jié)的“自我糾正”
最近，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的3位生物工程學(xué)家和物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，體節(jié)也會長歪，只是被“捏”了回來。而把它“捏”回來的并非任何基因等生物分子，而是一種我們熟悉的機(jī)械力——表面張力。
起初，研究者只是在觀察斑馬魚胚胎體節(jié)的形成過程。他們發(fā)現(xiàn)，體節(jié)的形成并沒有那么規(guī)則，經(jīng)常會出現(xiàn)兩側(cè)體節(jié)“各長各”的情況：剛形成的體節(jié)不僅長度不一致，而且形狀也不對稱。
但是在短短1小時后，體節(jié)似乎就迅速完成了“自我糾正”，均勻分布在神經(jīng)管兩側(cè)。在這個過程中，胚胎里究竟發(fā)生了什么？
研究者首先試圖確認(rèn)生物信號的影響。為此，他們檢測了體節(jié)中細(xì)胞數(shù)量的變化。然而，無論體節(jié)的縱向長度是增加還是減少，所有體節(jié)中的細(xì)胞數(shù)量都增加了，而且細(xì)胞數(shù)量的變化與體節(jié)縱向長度的變化之間沒有顯著的關(guān)系。
另一個重要的信號是，研究者發(fā)現(xiàn)，即使兩側(cè)體節(jié)的縱向長度發(fā)生了變化，它們的總體體積依然保持不變——當(dāng)體節(jié)的長度改變后，它的高度和寬度也會做相應(yīng)調(diào)整。
這樣一來，就像是有一只看不見的手，把兩邊的體節(jié)像揉橡皮泥一樣，捏成了對稱的形狀。那么，這只“手”是什么？研究者給出了一個猜測——表面張力。
表面張力并不罕見
我們對表面張力并不陌生，清晨凝聚在葉片上圓圓的露珠、牛奶表面聚集在一起的谷物圈，都是在表面張力的作用下形成的。
研究團(tuán)隊曾進(jìn)行過一系列實驗，來證明表面張力與生物體形態(tài)之間的關(guān)系。例如，研究者觀察到，實驗室培養(yǎng)的體細(xì)胞外形呈現(xiàn)出與露珠相同的圓形外觀。
但想要證明表面張力是否真的擁有決定體節(jié)形態(tài)的能力，還需要進(jìn)一步實驗驗證。研究者首先破壞了一些能夠影響表面張力的蛋白質(zhì)，從而削弱了體節(jié)的表面張力，他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)管兩側(cè)的體節(jié)明顯無法形成對稱的形態(tài)。作為對比，他們還干擾了胚胎的分節(jié)時鐘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管體節(jié)的長度發(fā)生了變化，體節(jié)依然能夠維持兩側(cè)對稱的形態(tài)。
“我們得出的結(jié)論是，表面張力可以幫助糾正體節(jié)長度和對稱性的錯誤，”研究共同作者桑達(dá)爾·納加納坦總結(jié)道。盡管他們只針對斑馬魚胚胎進(jìn)行了實驗和深入研究，但研究者依然認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)很可能具有普遍意義。“表面張力在所有物種的發(fā)育組織中都很常見，這種自我糾正過程也可能發(fā)生在其它脊椎動物身上。”
接下來，研究者還希望能夠繼續(xù)研究，解決更多關(guān)于身體對稱性起源的問題。“我們的工作解釋了表面張力如何影響這些基本結(jié)構(gòu)的形狀和對稱性，接下來，要解釋四肢的具體形成過程將是一個重大挑戰(zhàn)。”而且除了對稱性之外，納加納坦和同事也在試圖理解動物的不對稱性，“比如心臟和胃為什么并不對稱，在人體發(fā)育過程中，這種不對稱性又是如何與對稱性相協(xié)調(diào)的。”
來源：“環(huán)球科學(xué)”
