紊乱使小虾的胚胎发育更加健壮

　　以夏威夷甲壳类动物为例，这是一种具有一些有趣特征的小型甲壳类动物。“它被称为‘活的瑞士军刀’，”发表在《自然物理学》(Nature Physics)上的一项研究的主要作者狄龙·西斯洛(Dillon Cislo)说。“它有许多不同的附属物，每个附属物都有其独特的大小和形状。此外，这些肢体中的每一个都有一个非常特定的功能。”

　　

以夏威夷甲壳类动物为例，这是一种具有一些有趣特征的小型甲壳类动物。

“它被称为‘活的瑞士军刀’，”发表在《自然物理学》(Nature Physics)上的一项研究的主要作者狄龙·西斯洛(Dillon Cislo)说。“它有许多不同的附属物，每个附属物都有其独特的大小和形状。此外，这些肢体中的每一个都有一个非常特定的功能。”

它们迷人的身体和易于接近的生长条件使这些生物成为发育研究的理想模式生物。但更重要的是，根据Cislo和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员Mark Bowick和Sebastian Streichan的说法，他们的胚胎是进入组织形态发生世界的一扇窗户，这是一个试图理解大量胚胎细胞如何成为成年生物体复杂身体部位的领域。作为一种“直接发育者”，或者是一种形成成年形态的有机体——尽管是微型的——而不是具有独特的幼虫形态并经历蜕变的有机体，这种甲壳类动物值得关注。

“你正在从一组随机排列的细胞变成所有那些疯狂的、高度连接的成年结构的附属体，”Cislo说，他是洛克菲勒大学的博士后研究员，在UCSB读研究生时，在理论物理学家Bowick、Boris Schraiman和专门研究生物物质物理学的Streichan的指导下进行了这篇论文的研究。直到最近，大多数关于胚胎发生的观察都涉及到从一种模式生物(比如果蝇)的不同发育阶段提取几个胚胎，然后“固定”它们以便及时冷冻。从那里，科学家可以计算和推断进入他们身体发育的事件顺序。但不太容易观察到的是，这些年轻细胞究竟是如何找到它们的位置的。

弄清楚它们是如何协同工作的是生物学中的一个热门话题。但它也属于活跃物质物理学的领域，这是一个对多个独立的“代理”局部消耗能量的系统的集体行为感兴趣的领域。活跃物质的例子多种多样，从椋鸟的杂音到细菌菌落再到人群。活性物质也可以包括单位成分不平衡的非生物情况，如机器人群。

当胚胎细胞分裂时，它们沿着一条轴线以相反的方向分裂，然后这些子细胞沿着它们的轴线以相反的方向分裂，以此类推，尽管没有理由说明子细胞的分裂轴必须依赖于亲本细胞的分裂轴。这似乎会使组织的结构和功能依赖于其单位细胞的组织和方向的事情变得复杂。

为了了解夏威夷猿猴的细胞是如何处理它们的增殖所带来的紊乱，研究人员在受精后三天跟踪了胚胎的发育。

Cislo说:“它看起来就像球形蛋黄上面的一层薄薄的细胞。”为了更好地观察这一过程，他们通过计算将这组弯曲的细胞平铺成一个平面，“以一种尊重实际物理结构的三维几何形状的方式”，论文解释说，并在这些细胞分裂和移动时跟踪它们，这是夏威夷猿人早期发育这一特定阶段的首次动态分析。

在开始观察的12小时后，不断增长的细胞数量不仅增加了一倍多，而且排列成一个网格，其行与成人身体的部分相对应。从那里开始，大致相当于甲壳类动物腹部面积的单层细胞经历了细胞分裂的波，从中线开始向横向扩散，沿着从头到尾的轴分裂。

Cislo说，这些划分并不是随机的。也就是说，这些细胞不仅仅是变成一大堆看似无序的细胞，它们会分裂，然后一些子细胞会重新定向多达90度，然后再次分裂，以保持它们与正反轴线的对齐。

他说:“当它进行分割编排时，你开始看到新的行插入到行之间，把上面和下面的行分开。”“这是非常疯狂的，因为在一个无生命的物理系统中，这是一个非常昂贵的能量操作。”在金属和晶体中，这种重组机制需要材料被加热到数千度才能变得可行，Cislo说，“但在这里，虾是在室温下进行的。”据研究人员所知，细胞分裂的一般轴极有可能与尚未发现的生物信号有关。

根据研究人员的说法，尽管这种甲壳类动物很脆弱，在某些情况下能量消耗也很昂贵，但在甲壳类动物发育的早期阶段，四重定向是至关重要的。

“有一些关于如何解释这些结果的想法，”Streichan说。“基本思路涉及动物四肢的方向。像我们的手或腿一样，这些肢体有明确的方向……由于身体由多个这样的肢体组成，适当的身体功能需要这些肢体的方向协调。

他补充说:“想象一下，你的左手相对于你的右手旋转，比如180度，将你的手背和手掌互换。”“日常工作将变得非常具有挑战性!”

鲍威克说:“重要的是要记住，这种组织存在于一种有结构的流体状态，既不完全是流体，也不完全是固体。”“从物理学的角度来看，这种相与超流体具有相同的形式，”他解释说。

鲍威克补充说，事实证明，尽管细胞的网格状组织产生了所有的秩序，但流体状态和细胞分裂所呈现的潜在无序性对生物系统所需的灵活性至关重要。他说:“细胞不仅仅是在分裂，在分裂的过程中，它们显然会对彼此施加压力。”

研究人员发现，每个细胞都有自己的小马达和自己的“时钟”来进行自主分裂，在细胞增殖的早期阶段和细胞继续分裂但组织本身也在延长的后续阶段，产生了一定数量的“噪音”——变化和波动。乍一看，这种噪音似乎不利于形成一个拥有如此多不同附属物的复杂身体，但是，根据研究人员的说法，噪音本身对于一个强大的过程是必要的。利用它的四向性，这个系统占据了有序和无序之间的“金发姑娘地带”:足够有序地开始构建生物，但仍然足够开放，可以吸收过程中的细微差异。

通过一系列的模拟，他们发现，尽管时间、分裂浓度(在一定程度上)存在差异，或者细胞在增殖过程中没有重新定位，但最终仍有可能达到相同的最终结果。

Cislo说:“我们得到的结论是，生物学并不需要严格控制事物来达到预期的结果。”这是一个只有动态分析才能产生的发现。

Bowick表示同意。“想象一下，你想让一个系统达到某种有序状态;如果你完全静止不动，你永远找不到它，”他说。“但如果你撼动这个系统，你可能会让它最终进入一个良好的有序状态。这里发生的事情似乎是细胞分裂正在撼动这个系统，使它最终进入一个微妙的有序状态。”

这项研究提供了一个引人入胜的视角来窥视发育生物学的一个罕见的方面，一个沿着几何组织原理运作的方面，正如它的四倍方向所看到的那样。

Cislo解释说:“果蝇是发育生物学中的氢原子，通过一系列生化信号来组织其身体计划的各个部分。”“这是完全不同的东西。”

“Dillon的工作很酷的地方在于，方向顺序是在细胞位置的水平上发现的，标志着一种机械上可观察到的有序状态，”Streichan说。其他动物的胚胎细胞的发育依赖化学信号来确定方向，与之相反，夏威夷猿人的网格模式是跨越两个区域的机械事件——一个靠近头部，一个远离头部，允许两个区域在细胞的位置上达成一致。网格还保证了成为肢体的细胞的位置和方向，甚至在它们发育之前。

在许多方面，狄龙的项目提供了另一个例子，生物学找到了利用物理学达到目的的方法，”斯特雷坎说。

“材料科学也可以从中吸取教训，”Bowick补充道。“如果你想制造有趣的材料，你可能想从生物学中吸取教训，让这些材料系统失去平衡，并用这种方式制造出奇妙的结构。”

文章标题

Active cell divisions generate fourfold orientationally ordered phase in living tissue