使生命成型的神秘力量

来源于：nature

发文：Amber Dance

性命最初，胚胎最初并无前后左右左右之分，仅仅一团由细胞构成的圆球，可是这一光洁的肉球在短期内内便会逐渐产生变化。圆球中间逐渐发生液态，细胞像纯蜂蜜一样慢慢 “流动性”到将来人体相匹配的部位上，以后一层层的细胞逐渐伸缩、产生心血管、肠胃、人的大脑等人体器官。

这一切往往可以完成，都需要得益于一股将胚胎捏揉、歪曲、牵扯成恰当样子的超自然力量。即便 在成年人以后，植物体内的细胞依然会遭受这类能量的危害。这类能量既来自于其他细胞，又来源于细胞所属的自然环境。

人体和组织的成形方法仍然是 “大家这一时期更为关键、却孰知很少的难题之一”。数十年来，科学家一直在主要研究遗传基因等生物分子营造人体的方法，关键是由于剖析这种数据信号的专用工具早已面世、而且一直在不断完善。比较之下，机械设备结构力学对其危害获得的关心就少得多，但假如只考虑到遗传基因和生物分子，“就仿佛仅用声母表的一半写文一样”。

胚胎在生长发育过程中必须依靠机械设备力营造成形。

近期 20 年以来，愈来愈多的生物学家逐渐关心结构力学对不一样发育过程的胚胎、人体器官和植物体的关键危害。研究工作人员也逐渐慢慢确立细胞认知、回应和转化成力的体制。因此，她们将激光器、少量吸液管、磁粒、及其订制化的光学显微镜紧密结合，创造发明了一系列订制专用工具和独特方法。

大部分研究工作人员都是会运用细胞培养皿中的细胞或组织探察结构力学数据信号，但也是有几只精英团队研究的是活体动物，有时候还会继续工作中发觉与独立组织显著不一样的基本原理。这种活物研究存有很多挑戰，例如怎样精确测量繁杂组织中极为细微的力等，这刚好是掌握这种营造性命的力所饰演人物角色的关键因素。

伴随着生物学家逐渐信心攻破这种挑戰，她们早已观查到一些对微生物来讲尤为重要的力，从胚胎产生的初期环节、到性命中后期遭受的各种各样病症，这种力都充分发挥着主导作用。这种信息内容也许能协助生物学家寻找更强的干涉对策，处理不孕不育症或癌病等难题。

如同法国马赛发育生物学研究所的托马 · 勒奎特说的：“在性命成形过程中，力无时无刻不在充分发挥着功效。”

性命之初的力

在胚胎成型以前，最先要摆脱圆球的对称性情况。在搞清了在其中涉及到的基因遗传与有机化学操纵基本原理后，生物学家现如今已进一步了解了这一体制。机械设备力在生长发育过程中饰演的人物角色已经慢慢显出，比如，在哺乳类动物胚胎产生前、后、头、尾的过程中，液体工作压力和细胞相对密度等化学性质都具有了主导作用。

从小白鼠胚胎最开始的细胞团生长发育出囊胚腔（一个填满液态的内腔构造）的过程进行研究能够发觉，伴随着囊胚腔被慢慢铺满，细胞会集聚在这其中一侧、向外释放扭力。它是细胞团的对称第一次被摆脱，目地是保证 胚胎在孑宫内壁恰当受精卵着床，也从此决策了胚胎哪侧是腹腔、哪侧是后背。但是，胚胎怎样转化成囊胚腔、及其如何确定囊胚腔的部位，先前一直是个不解之谜。

细胞间 “小水泡”释放压力示意图

研究精英团队在对这一过程进行显像剖析时，发觉了一些出乎意料的状况，细胞中间产生了一些细微的小水泡、换句话说水囊会稍纵即逝，倘若显像速率不足快，就压根看不见。这种泡沫中的液态来源于胚胎周边，因为外界水分浓度值较高，驱使水分进入了胚胎內部。该精英团队还观查到，每个小水泡中的水通过细胞中间的间隙、流到了一个很大的内腔当中。

研究工作人员接着确定了这一状况的产生过程。她们认真观察了细胞中间具有粘合功效的蛋白。当以上小水泡发生时，这种粘合蛋白好像会破裂起来、使细胞可以彼此之间推离。细胞中间的粘合蛋白越少，就越非常容易分离。

它是生物学家初次观查到带压液态根据断开细胞中间的联接、使胚胎成形的过程。但胚胎为什么会那么做呢？

这类作法看起来高效率既低、风险性又高。研究工作人员猜想，微生物往往会演变出这类对策，并不是因为它是难题的 “最优解”，只是因为它早已 “充足好”。伴随着生物学家进一步掌握胚胎的有关体制，这也许能协助试管婴儿门诊所筛出更合适的胚胎开展移殖、进而提升怀孕几率。

研究工作人员运用电磁场使液滴（图招标为淡黄色）形变，向斑马鱼胚胎细胞释放扭力和抗拉力。

下面，胚胎又会在另一个方位上摆脱对称性、分离出来首尾。研究工作人员对斑马鱼胚胎的尾端产生过程开展了跟踪，向细胞中间的间隙里引入含有带磁粒子的液滴、精确测量出了该过程中涉及到的力。下面，她们又依靠静电场使液滴形变，测到了胚胎组织遭受扭力后的反映。

她们发觉，已经生长发育的小尾巴尾端处在一种科学家常说的 “液体”情况：细胞能够随意流动性，组织受力时还可以随便更改样子。而距小尾巴尾端越长，组织就越硬实。这种组织会持续干固，但并不清楚在其中的体制是啥。

这种细胞中间并沒有一切会增加硬度的化学物质。但研究工作人员在精确测量细胞中间间隙时发觉，在绵软的小尾巴尾端，细胞空隙非常大；而离头顶部越近的，细胞空隙就越小。当细胞牢牢地挤在一起时，组织便会随着干固。大家可以用装包咖啡豆来举个例子：咖啡豆倒进包装袋里时，能够随意流动性；但包装袋放满以后，在其中的咖啡豆便会密切堆积起来，整包咖啡豆便会越来越像砖头一样硬实。研究工作人员还方案进行进一步研究，看一下其他胚胎构造是不是也是在这一体制的基本上产生的。

产生心血管与观念

胚胎一旦生长发育出基本上样子，每个人体器官便会逐渐产生。如今大家仍然对身体人体器官产生过程的掌握少得可伶，唯一除外的仅有肠胃。

但是，这类局势早已逐渐有一定的更改。研究工作人员对果蝇胚胎心血管的产生过程进行了调查。心血管产生过程中有一个尤为重要的時刻：两块组织拼接在一起、产生一个管形构造，最后生长发育产生心血管。一片组织各带有二种不一样的心脏细胞，拼凑时务必紧闭、一一对应，才可以长成一颗身心健康的心血管。研究工作人员常常观查到一开始沒有指向、之后才被改正的状况，改正他们的到底是什么东西呢？

結果发觉，改正他们的能量竟来源于心脏细胞本身。在两块心血管组织拼凑的过程中，II 型肌球蛋白会在每一个细胞的管理中心与边沿中间往返流动性，肌球蛋白是不是会对早已匹配的细胞造成一种抗拉力、进而使不配对的细胞中断连接呢？

为检测这一基础理论，研究工作人员用激光器将已匹配的细胞一分为二。結果2个细胞快速弹回，如同一根紧绷的皮筋儿被弄断那般。但假如细胞中不带有 II 型肌球蛋白，断开联接后，就哪些也不会产生。肌球蛋白如同将皮筋儿打开的手指头，将2个细胞牢牢地钩住。假如细胞配对不正确，只需断开联接，便可得到一次再次找寻配对目标的机遇。

除此之外，牛津大学研究工作人员在爪蟾胚胎中发觉，即便 是简易的细胞繁衍，也会向细胞发信号、使之恰当排序。在双眼与人的大脑创建联接时，眼周神经细胞会顺着一条特殊通道、将轴突向外外伸，而这一条通道是由人的大脑各部的强度决策的，眼神经细胞的轴突会顺着比较绵软的脑组织往前挺入、一直连接到人的大脑神经中枢。

为明确这条通道产生的時间与方法，该精英团队订制了一台独特的光学显微镜，能够一边在活物组织中观查这一过程、一边用探头精确测量组织强度。結果发觉，脑组织的强度梯度方向大概是在轴突到达 15 分鐘前产生的。

这类梯度方向到底是怎样造成的呢？如同生长发育中的班马鱼身一样，爪蟾人的大脑中的组织越硬、细胞相对密度就越大。而阻隔了胚胎细胞瓦解以后，这类强度梯度方向便再也不会发生过，神经细胞轴突也因而走投无路。那样来看，扩大细胞相对密度好像能够便捷合理地正确引导中枢神经系统的产生。

不断受力

彻底生长发育完善的小动物在再次生长发育、或抵抗病症的过程中，也务必与各式各样的大作抗争。比如，在人体长大了的另外，肌肤为了更好地将人体所有遮盖、也会随着生长发育。外科医师在胸部复建手术中便会应用到这一点。最先，她们会向胸部中嵌入一枚 “水球比赛”，随后在好多个月的時间里，持续向在其中引入食盐水，使水球比赛容积扩大。在这里过程中，肌肤总面积也会随着提升。等长出了充足多的限定皮肤，再开展第二次手术治疗。

但遭受工作压力时，肌肤细胞到底是怎样回应和繁衍的呢？干细胞科学家在小白鼠肌肤下嵌入了一个球囊，在其中配有能够全自动澎涨的凝胶剂，吸湿后容积较大 可做到 4 mL。球囊四周的肌肤也会随着拉申。在嵌入凝胶剂不上一天時间内，肌肤表层下边的干细胞早已逐渐繁衍、分裂变成限定皮肤了。

但在肌肤拉申时，并不是全部干细胞都是会随着繁衍。仅有一类先前未被界定的干细胞会瓦解产生新细胞，缘故迄今仍不清楚，假如能弄搞清楚这套管理体系，或许有利于研发出推动肌肤生长发育的新方式。

组织的结构力学特性在癌细胞等出现异常细胞的生长发育中也具有了一定功效。实体肿瘤要比一般组织硬实，这在一定水平上是因为癌细胞外栽培基质（细胞外的一种化学纤维多孔结构）大量、及其癌细胞自身繁衍速率更快导致的。

癌细胞越硬，恶变水平就越高。倘若生物学家能搞清在其中基本原理，或许就能设计方案出专业的治疗方法、更改癌细胞的化学性质，进而减少癌病的风险水平。

二种皮肤癌对质膜的挤压体制平面图

安德鲁卡内基高校的研究工作人员在一项有关研究中发觉，机械设备力能够表述为什么有一些皮肤癌归属于良好、有一些则是恶变。皮肤干燥细胞能够引起二种癌病：一是不容易超过肌肤范畴的底材细胞癌，二是具备侵入性的磷状细胞癌。这二种癌病都是会对肌肤质膜（一层将外皮与深层次组织分隔的结构型蛋白）导致挤压。良好的底材细胞恶性肿瘤一般不容易提升这层质膜，但更具有主动进攻的磷状细胞癌则经常变成 “散兵游勇”，沿着毛细血管侵入其他人体部位。

干细胞科学家根据研究小白鼠肌肤发觉，底材细胞癌会产生一层更厚、更绵软的质膜，像胶手套一样将恶性肿瘤细胞包囊在这其中，而磷状细胞癌相匹配的质膜则较为薄。

除此之外，一股从上至下的力也会协助侵入性恶性肿瘤 “出逃”。磷状细胞癌会分裂出一层硬实的肌肤细胞，名字叫做 “角质层珠”，他们会往下挤压成型癌细胞，协助恶性肿瘤提升敏感的质膜，如同用握拳打爆夹层玻璃一样。

在这以前，研究工作人员一直觉得这种肌肤细胞没法造成机械设备力。“因而这一发觉毫无疑问让人大吃一惊。”

下面，研究工作人员还方案搞清楚细胞认知机械设备力的方法，及其细胞是如何把机械设备力转换为特殊的基因的表达，进而转化成大量质膜、或推动细胞分裂的。

机械设备力与遗传基因中间的联络是一个至关重要的问题，并且不仅与皮肤癌相关，在研究这种结构力学难题时，实际上是在思索他们与分子结构中间的联络。

别的生物学家也在对这类联络进行研究，遗传基因和力都并不是全能的，这彼此之间一定存有某类有意思的联络。