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原標(biāo)題：手指腳趾的形成也符合圖靈生物花紋理論

可用于解釋數(shù)百萬(wàn)細(xì)胞怎樣最終形成心臟等器官

圖 手指也可以作為一種花紋，就像許多動(dòng)物身上的條紋和斑點(diǎn)一樣能用圖靈模型來(lái)預(yù)測(cè)。

科技日?qǐng)?bào)訊 最近，西班牙加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）和龐培法布拉大學(xué)（UPF）科學(xué)家合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了手指和腳趾的形成也受圖靈60多年前提出的生物花紋形成機(jī)制的控制。

“計(jì)算機(jī)科學(xué)之父”、英國(guó)數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈對(duì)數(shù)學(xué)生物學(xué)的貢獻(xiàn)同樣重大，他于1952年發(fā)表了一篇關(guān)于自然界花紋是怎樣形成的論文，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的數(shù)學(xué)領(lǐng)域。論文中提出了一個(gè)由兩種分子構(gòu)成的系統(tǒng)，如果分子以恰當(dāng)方式擴(kuò)散反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)或條紋。

他的數(shù)學(xué)方程顯示，在統(tǒng)一的初始條件下，比如均勻分布沒(méi)有花紋，分子濃度會(huì)自發(fā)地組織成一種重復(fù)性空間花紋。這一理論逐漸被人們接受，并用來(lái)解釋一些簡(jiǎn)單花紋，如斑馬條紋、沙丘波紋，但用在胚胎發(fā)育中還不太合適，還不能解釋一些結(jié)構(gòu)比如手指是怎么形成的。

新研究由ICREA教授詹姆斯·夏普負(fù)責(zé)，UPF基因組調(diào)控中心多細(xì)胞系統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供數(shù)據(jù)。夏普說(shuō)，本研究是對(duì)他們2012年《科學(xué)》雜志上一篇論文的補(bǔ)充，當(dāng)時(shí)他們提出Hox基因和FGF信號(hào)能調(diào)節(jié)一個(gè)假設(shè)的圖靈系統(tǒng)，但圖靈所說(shuō)的分子本身還未發(fā)現(xiàn)。而新研究揭示了在圖靈系統(tǒng)發(fā)揮作用的信號(hào)分子。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月31日?qǐng)?bào)道，研究人員利用系統(tǒng)生物學(xué)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算機(jī)模型反復(fù)調(diào)整。他們篩選了多種不同的基因表達(dá)，最終發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)路徑具有所需的活動(dòng)模式：BMPs和WNTs，而且這兩個(gè)信號(hào)路徑通過(guò)一種非擴(kuò)散性分子——轉(zhuǎn)錄因子Sox9連接。隨后他們逐漸構(gòu)建了兼容所有數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，并能用模型預(yù)測(cè)抑制兩條路徑的結(jié)果：抑制其中之一或同時(shí)抑制，會(huì)讓手指形狀發(fā)生怎樣的改變。他們用培養(yǎng)的胚芽組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，胚胎上也會(huì)出現(xiàn)同樣的手指形狀，證明了他們的計(jì)算預(yù)測(cè)。

本研究的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)理解手指發(fā)育，回答了更廣泛的爭(zhēng)論：身體中數(shù)百萬(wàn)的細(xì)胞是怎么自行運(yùn)動(dòng)排列，最終形成恰當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)——腎臟、心臟及其他器官的？它還挑戰(zhàn)了目前的主流觀點(diǎn)，劉易斯·沃爾伯特提出的“位置信息”論，該理論認(rèn)為細(xì)胞知道自己要干什么，因?yàn)樗鼈兌冀邮芰俗约旱目臻g“配合”信息（類似于地圖上的經(jīng)度和緯度）。新研究論文中強(qiáng)調(diào)，在器官形成中，局部自組織機(jī)制或許比人們以往認(rèn)為的更重要得多。

研究人員指出，要想開(kāi)發(fā)出有效的再生醫(yī)學(xué)策略，必須正確理解多細(xì)胞器官，才可能為各個(gè)器官設(shè)計(jì)出替代組織。這些發(fā)現(xiàn)也解釋了為何多指（趾）畸形是人類中一種普遍的先天缺陷，在數(shù)學(xué)上，圖靈系統(tǒng)調(diào)節(jié)“條紋”數(shù)量的模型比其他模型的精確性略低。（常麗君）