生命的模样之谜

【字体: 时间:2006年08月10日 来源:生物通

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  模式形成(pattern formation)现象在发育生物学领域长久以来是一项重要研究课题。现代计算机科学之父Alan Turing认为,模式形成的本质是化学作用。刊登于《Proceedings of the National Academy of Sciences》杂志的布朗大学新研究成果给出了另一种解释:除了化学作用,物理作用也参与了模式形成。布朗大学物理学家鉴别出模样形成中的一种独特的力――物理作用力,为研究细胞如何形成特定模样带来新的思路。

  

生物通报道:每种生命都有自己独特的模样。生命外观的形成过程是一个未解之谜。细胞相互作用构成组织,不同的组织构成器官,器官又组成有机体,在所有生命形式中都存在这种一层一层的过渡。蜘蛛有8只足,猎豹有斑点,鹦鹉螺有美丽的螺旋纹的外壳。这种模式形成(pattern formation)现象在发育生物学领域长久以来是一项重要研究课题。但是科学家至今对促使模样形成的机制了解不多。现代计算机科学之父Alan Turing认为,模式形成的本质是化学作用。刊登于《Proceedings of the National Academy of Sciences》杂志的布朗大学新研究成果给出了另一种解释:除了化学作用,物理作用也参与了模式形成。布朗大学物理学家鉴别出模样形成中的一种独特的力――物理作用力,为研究细胞如何形成特定模样带来重要提示。

小规模中的强大作用力
在长达两年的研究中,布朗大学物理学家James Valles 和Jay Tang发现模式形成与微管蛋白有关。形状如细长稻草一样,这些微管蛋白虽然很微小,直径大约才有250个原子宽,但是在生物体形成过程中,是支撑细胞形态、参与细胞内物质运输及形成纺锤体的重要结构。

当微管数量上升时所形成的模式肉眼可见。这种模式犹如斑马条纹一样的一连串的波浪。 Valles 和Tang对这种模式的形成机制产生了疑问。通过与研究生Yifeng Liu 和Yongxing Guo(刘一峰(音译)、郭咏星(音译))合作,Valles 和Tang培养微管然后在三种显微镜下进行观察,认为“波浪”形成与化学结合和机械不稳定有关。

波浪模式形成过程初期,微管规则地排列,如同栅栏的一根根木桩。随着数量增长,微管聚集成微管束,接下来这些微管束开始弯曲。Valles 和Tang认为是微管生长产生能量和力度引起微管束弯曲的。弯曲的微管束能够减轻压缩应力。

Valles说:“就好像足球场看台上球迷队伍形成的一阵阵的波浪一样。一束微管束弯曲会引起第二束微管束弯曲,接下来第三个第四个……直到肉眼所见的“波浪”。这些发现为研究生物有机体细胞模式形成提供了新的思路。”

一直排列整齐的微管束在其自身生长产生的压缩应力下开始变弯曲,这种扭曲也许是生物有机体模样形成的导火索。

Tang说:“模式形成在生命形成过程中具有关键作用。现在我们在微管层次上弄清了模式形成机制:力就是关键的钥匙。”实验获得美国国家航空和宇宙航行局资助。(生物通记者宗敏)
原文地址:www.pnas.org/cgi/content/full/103/28/10654

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