胚胎發(fā)育中的數(shù)學(xué)

關(guān)于生命，最基本、最長(zhǎng)久的奧秘之一是：生命是怎樣開(kāi)始的？以人體發(fā)育為例：?jiǎn)蝹€(gè)細(xì)胞怎樣聚集到一起，最終形成像皮膚、肌肉、骨骼、大腦這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)？

預(yù)測(cè)與觀測(cè)完全吻合

雖然諸如此類(lèi)的奧秘依然未解，但科學(xué)家最近已開(kāi)始探索原腸胚形成的過(guò)程，即胚胎細(xì)胞從一個(gè)單層發(fā)育為一個(gè)帶軸立體結(jié)構(gòu)的階段。對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，原腸胚形成在受孕大約14天后就開(kāi)始了。因?yàn)椴豢赡軐?duì)如此早期的人類(lèi)胚胎進(jìn)行研究，所以科學(xué)家在最近這項(xiàng)探索中的研究對(duì)象是雞，而雞的胚胎在原腸胚形成階段與人的胚胎有很多相似之處。

基于生物學(xué)研究結(jié)果，科學(xué)家建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)雞的原腸胚形成流，即在整個(gè)雞胚胎中數(shù)萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的流動(dòng)。預(yù)測(cè)結(jié)果與在顯微鏡下觀測(cè)到的結(jié)果完全吻合。這也是數(shù)學(xué)模型首次準(zhǔn)確模擬實(shí)體雞胚胎中的原腸胚形成流。

不同物種或法則相同

接下來(lái)，科學(xué)家想要知道：除了能模擬出已知實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明為真的結(jié)果外，該模型能否預(yù)測(cè)發(fā)生在不同條件下的結(jié)果？于是，他們改變了原先在型中設(shè)定的原始參數(shù)（即初始條件）。結(jié)果，讓他們驚訝的是，該模型產(chǎn)生了雖然在天然狀態(tài)下雞的身上沒(méi)有觀測(cè)到、但在天然狀態(tài)下蛙和魚(yú)的身上能觀測(cè)到的原腸胚形成流。為了確認(rèn)這些模擬結(jié)果不是純粹的數(shù)學(xué)把戲，科學(xué)家又在與模型參數(shù)設(shè)置相同的條件（如溫度）下，于實(shí)驗(yàn)室中在雞胚胎上進(jìn)行驗(yàn)證。果不其然，這些雞胚胎出現(xiàn)了與天然狀態(tài)下于蛙和魚(yú)身上觀測(cè)到的相同的原腸胚形成流。

這些結(jié)果表明，在各種不同的脊椎動(dòng)物所演化出的多細(xì)胞自行組合（自組） 背后，其生理法則很可能相同。魚(yú)、雞、蛙生活在各不相同的環(huán)境中，隨著時(shí)間推移，進(jìn)化壓力可能會(huì)改變胚胎發(fā)育的初始條件（即上述模型中的參數(shù)）。但這些不同物種在自組方面的一些核心法則很可能相同，至少在原腸胚形成的早期階段如此。

希望能有助人類(lèi)長(zhǎng)壽

科學(xué)家已在探索能產(chǎn)生胚胎規(guī)模自組模式的其他機(jī)制。他們希望，這方面的研究能促進(jìn)生物材料設(shè)計(jì)和再生醫(yī)療的發(fā)展，從而幫助人類(lèi)健康地活得更久。

科學(xué)家指出，人體是最復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于人體的生物學(xué)、生理學(xué)，依然有很多未解之謎。但隨著科學(xué)的進(jìn)步，我們將逐漸找到答案。