一个数学模型将鸡、鱼和青蛙的进化联系起来
双胞胎鸡胚发育的快照。黄色条纹标志着未来的脊髓。鸣谢:uux.cn/加州大学圣地亚哥分校马蒂亚·塞拉小组
（神秘的地球uux.cn）据加州大学圣地亚哥分校（米歇尔·富兰克林）：生活中最持久、最基本的问题之一是:它是如何发生的？例如，在人类发育过程中，细胞如何自我组织成皮肤、肌肉或骨骼？它们是如何形成大脑、手指、脊椎的？
虽然这些问题的答案仍然未知，但科学探索的一条线在于理解原肠胚形成——胚胎细胞从单层发展到具有主体轴的多维结构的阶段。在人类中，原肠胚形成发生在受孕后14天左右。
现阶段不可能研究人类胚胎，所以加州大学圣地亚哥分校、邓迪大学(英国)和哈佛大学的研究人员能够研究鸡胚中的原肠胚形成，这与现阶段的人类胚胎有许多相似之处。
这项研究是通过加州大学圣地亚哥分校物理学助理教授Mattia Serra所说的理想环路进行的:一个跨学科的，理论和实验科学的来回结合。Mattia是一个理论家，他对在复杂的生物物理系统中寻找突现模式感兴趣。
在这里，他和他的团队基于邓迪大学生物学家的输入建立了一个数学模型。该模型能够准确预测在显微镜下观察到的原肠胚形成流——整个鸡胚中数万个细胞的运动。这是自组织数学模型首次能够在鸡胚中重现这些流动。
然后，生物学家们想看看这个模型是否不仅能复制他们通过实验知道的事实，还能预测在不同条件下可能发生的事情。塞拉的团队“扰乱”了模型——换句话说，改变初始条件或现有参数。
理想循环:左边的数学模型与实验中观察到的结果相匹配。鸣谢:uux.cn/加州大学圣地亚哥分校马蒂亚·塞拉实验室
结果令人惊讶:该模型产生的细胞流在小鸡身上没有自然观察到，但在其他两种脊椎动物物种——青蛙和鱼身上观察到了。
为了确保这些结果不是模型的数学幻想，生物学合作者在实验室中对鸡胚模拟了模型的精确扰动。引人注目的是，这些被操纵的鸡胚也显示了在鱼类和青蛙中自然观察到的原肠胚形成。
这些发表在科学进展的发现表明，多细胞自我组织背后的相同物理原理可能在脊椎动物物种中进化。
“鱼、青蛙和小鸡都生活在不同的环境中，所以随着时间的推移，进化压力可能已经改变了胚胎发育的参数和初始条件，”塞拉说。“但至少在原肠胚形成的早期阶段，一些自我组织的核心原则可能在这三者中都是相同的。”
塞拉和他的合作者现在正在研究产生胚胎规模的自组织模式的其他机制。他们希望这项研究能够推进生物材料设计和再生医学，帮助人类活得更长、更健康。
“人体是现存的最复杂的动力系统，”他说。“关于我们的身体，有很多有趣的生物学、物理学和数学问题——思考起来很美。我们能做出的发现永无止境。”
