生物学中存在最久的问题之一是，一个生物如何从一个由均匀细胞组成的胚胎团开始随着时间的推移演变成一个具有不同组织的有机体，每个组织都有自己独特的模式和特征。 答案将解释豹子如何获得斑点，斑马如何获得条纹，树木如何获得树枝以及生物学中更多模式发展的奥秘。 半个多世纪以来，最受青睐的解释是 优雅的模特 基于数学家艾伦·图灵提出的化学信号 许多成功.
但越来越多的科学家怀疑图灵的理论只是故事的一部分。 “在我看来，仅仅因为它的美丽，我们对它应该应用的广泛程度视而不见，”说 艾米·希尔，洛克菲勒大学的发育生物学家。 在她看来，在细胞生长和分裂时作用于细胞的收缩和压缩物理力也可能发挥核心作用。
而现在，她有证据。 在一个 发表于 手机 XNUMX 月，Shyer，她的合著者兼发育生物学家 艾伦·罗德里格斯 和他们的同事表明，机械力可以诱导胚胎鸡皮肤产生毛囊来生长羽毛。 正如表面张力可以将水拉入玻璃表面上的球形珠子一样，胚胎内的物理张力也可以建立指导发育组织中生长和基因活动的模式。
随着生物体的生长和发育，其组织中的细胞相互拉动和推挤，并在它们错综复杂地连接的支持性蛋白质支架（细胞外基质）上相互拉动和推动。 一些研究人员怀疑这些力量，再加上 细胞的压力和刚度，可能会直接形成复杂的图案。 然而，直到现在，还没有研究能够将这些物理力的影响与它们炖煮的化学炖菜区分开来。
拉出图案
在他们共同领导的洛克菲勒大学形态发生实验室中，Shyer 和 Rodrigues 从鸡胚胎中取出皮肤并分解组织以分离细胞。 然后他们将一滴细胞溶液放入培养皿中，让它在培养皿中生长。 他们观察了培养皿底部的皮肤细胞自组织成一个环——就像胚胎正常形成的细胞球的二维版本。 搏动和收缩，细胞拉动细胞外基质中的胶原纤维，它们在自己周围组装。 2 小时后，这些纤维逐渐旋转、聚集在一起，然后相互推开，形成成束的细胞，这些细胞会变成毛囊。
“这是一个如此干净、简单的实验装置，你可以看到一个漂亮的图案出现并对其进行定量控制，”说 布赖恩·卡姆利，约翰霍普金斯大学的生物物理学家，他没有参与这项研究。
后来，通过调整细胞收缩率和其他变量，研究人员发现胚胎质量中的物理张力直接影响了模式。 “我认为最大的惊喜是细胞以这种非常动态的方式与细胞外基质相互作用，以创造这些模式，”罗德里格斯说。 “我们意识到这是两者之间的互惠之舞。”
“这表明收缩性可能足以推动模式形成，”Camley 说。 “这是一件非常新的必备单品。”
首先是力学，然后是基因？
数学家达西·温特沃斯·汤普森早在 1917 年就提出，物理力可能会一直指导发展。在他的书中 论成长与形式，汤普森描述了扭转力如何控制角和牙齿的形成，鸡蛋和其他中空结构如何出现，甚至水母和液体滴之间的相似之处。
但是汤普森的想法后来被图灵的解释黯然失色，图灵的解释更容易与对基因的新兴理解联系起来。 在他去世前两年发表的 1952 年的一篇论文“形态发生的化学基础”中，图灵提出，骨骼中的斑点、条纹甚至骨骼雕刻形状等图案是一种称为形态发生素的化学物质的旋转梯度的结果当它们在整个细胞中不均匀地扩散时，它们相互作用。 作为分子蓝图，形态发生素将启动导致手指、牙齿或其他部分发育的基因程序。
图灵的理论因其简单而受到生物学家的喜爱，并很快成为发育生物学的核心原则。 “大多数生物学机制仍然存在强烈的分子和遗传观点，”罗德里格斯说。
但是该解决方案缺少一些东西。 如果化学形态发生素推动发展，Shyer 说，那么科学家应该能够证明一个先于另一个——首先是化学物质，然后是模式。
她和罗德里格斯从未在实验室中展示过这一点。 2017 年，他们取了一小片鸡胚皮，仔细观察组织聚在一起准备形成卵泡。 同时，他们追踪了参与卵泡形成的基因的激活。 他们发现基因表达发生在细胞聚集的大约同一时间——但不是在此之前。
“不是‘先基因表达，然后是力学’，这有点像力学在生成这些形状，”Shyer 说。 后来，他们证明，即使去除一些基因调节化学物质也不会破坏这一过程。 “这打开了一扇门，说，'嘿，这里可能发生了其他事情，'”她说。
生物学的活性软物质
Shyer 和 Rodrigues 希望他们的工作和未来的研究将有助于阐明物理学的作用及其在发育过程中与化学物质和基因的相互作用。
“我们正在意识到，细胞运动中所有的分子基因表达、信号传导和力的产生都是密不可分的，”说 埃德温·门罗芝加哥大学的一名分子生物学家，并未参与这项研究。
Munro 认为细胞外基质的作用比科学家们目前意识到的更重要，尽管人们正在认识到它在发育中的更核心作用。 例如，最近的研究将细胞外基质中的力量与果蝇卵的发育联系起来。
罗德里格斯同意了。 “这就像细胞和细胞外基质本身正在形成一种材料，”他说。 他将这种收缩细胞和细胞外基质的耦合描述为“活性软物质”，并认为它指向了一种新的思考方式，即通过细胞外力来调节胚胎发育。 在未来的工作中，他和 Shyer 希望阐明发展中物理力的更多细节，并将它们与分子观点结合起来。
“我们曾经认为，如果我们只是越来越深入和严谨地研究基因组，所有这一切都会很清楚，”Shyer 说，但“重要问题的答案可能不在基因组层面。” 曾经似乎发育决策是通过细胞内基因及其产物的相互作用做出的，但新出现的事实是“决策制定可以发生在细胞外，通过细胞之间的物理相互作用。”
