Science挑战传统观点，胚胎发育背后的数学法则

　　

生物通报道：阿兰•图灵（1912-1954）是著名的英国数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。图灵在二战中起到了关键性的作用，他设计的仪器破译了德军的密码，帮助盟军在几个至关重要的战役中击败了纳粹。

图灵对生物学做出的贡献虽然没那么出名，但却同样重要。他唯一一篇与生物有关的论文（1952），开启了一个用数学解读形态发生的全新领域。图灵认为，如果系统中含有一对特定的化学物质，理论上就能形成斑点或条纹模式，只要这对物质以正确的方式扩散和发生化学互作。

他的数学方程表明，在一致性起始条件下（均匀分布），这对物质会自发调整浓度，形成可重复的空间布局。这一理论已经被用于解释一些简单的模式，例如斑马条纹和沙丘的起伏。不过数十年来人们一直未能将其应用于胚胎学领域。

日前，James Sharpe教授领导研究团队证实，手指和脚趾的形成符合图灵模型。这项发表在Science杂志上的研究证实了图灵62年前提出的形态发生理论。

“新数据为2012年的那项研究（Science 338:1476, 2012）进行了重要补充。之前的研究显示，Hox基因和FGF信号传导调节一个图灵系统，但当时研究人员对整个系统并不了解。新研究填补了这一重要空白，”Sharpe说。

研究人员筛查了大量基因的表达，发现有两个信号通路符合图灵系统的要求，BMP和WNT。这两个信号通路由一个非扩散性分子关联起来，转录因子Sox9。研究人员通过数学建模预测了干扰这两个通路对指头形成的影响，并在实验中进行了验证。这项研究不仅揭示了指头的发育机制，还有着更为深远的意义。

要开发有效的再生医学策略，就必须正确理解细胞的组织形式，在此基础上人们甚至能够制造出替代性的组织和器官。

细胞究竟是如何自我排列形成正确的3D结构（例如肾脏、心脏和其他器官），这个问题一直存在着争议。Lewis Wolpert提出的传统观点认为，细胞会根据自己收到的“坐标”信息来确定自己的位置。而这项研究对此提出了挑战，研究人员认为，局部细胞的自我组织在器官发生时可能更加重要。（延伸阅读：Cell子刊：lncRNA参与胚胎发育调控）

与其他模型相比，图灵系统在数量调控上的精确度要稍微低一点。正因如此，多指(趾)畸形在人类中是一种比较常见的出生缺陷。

从表面上看，胚胎发育问题似乎与图灵的数学专长没什么关系。然而从某种意义上说，他找到了生命自我构建背后的数学法则。

 

生物通编辑：叶予

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