紊乱使小虾的胚胎发育更加稳健

想想甲壳类动物夏威夷Parhyale hawaiensis，这是一种微小的甲壳类动物，具有一些有趣的特性。

“它被称为‘活的瑞士军刀’，”发表在《自然物理学》杂志上的一项研究的主要作者狄龙·西斯洛(Dillon Cislo)说。“它有许多不同的附属物，每一个附属物的大小和形状都是独一无二的。此外，这些肢体中的每一个都有非常特定的功能。”

它们迷人的身体和适宜的生长条件使这些生物成为发育研究精心挑选的模式生物。但更重要的是，根据西斯洛和加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员 马克·鲍威克 和 塞巴斯蒂安·斯特莱坎的说法， 他们的胚胎是了解组织形态发生世界的一扇窗户，这个领域旨在了解大量胚胎细胞如何变成一个复杂的身体部分。成体有机体。作为一种“直接发育者”，或者说一种能够形成成年形态的生物体(尽管是微型的)，而不是具有独特的幼虫形态并经历变态，这种甲壳类动物值得关注。

“你将从这组随机排列的细胞变成成人结构中所有那些疯狂的、高度铰接的附属物，”洛克菲勒大学的博士后研究员西斯洛说，他在加州大学圣巴巴拉分校的研究生期间为这篇论文进行了研究。理论物理学家鲍伊克(Bowick)、鲍里斯·施莱曼(Boris Schraiman)以及专门研究生命物质物理学的斯特莱坎(Streichan)的指导。直到最近，大多数对胚胎发生的观察都涉及到模型生物(例如果蝇)在不同发育阶段的几个胚胎，并“固定”它们以便及时冷冻它们。从那里，科学家可以对身体发育的事件顺序进行计算和推断。但不太容易观察到年轻细胞是如何找到它们的位置的。

找出它们如何协同工作是生物学中的热门话题。但它也属于活性物质物理学领域，该领域对多个独立“代理”局部消耗能量的系统的集体行为感兴趣。活性物质的例子多种多样，从椋鸟的低语声到细菌菌落，再到人群。活性物质还可以包括单元组件不平衡的非生物情况，例如机器人群。

当胚胎细胞分裂时，它们沿着轴以相反的方向进行分裂，然后这些子细胞沿着它们的轴以相反的方向分裂，依此类推，尽管没有理由说子细胞的分裂轴必须取决于父级的划分轴。对于结构和功能取决于其单位细胞的组织和方向的组织来说，这似乎会让事情变得复杂。

为了了解夏威夷 P. hawaiensis 细胞如何应对其增殖可能带来的疾病，研究人员在受精后三天跟踪了胚胎的发育。

“它看起来就像球形蛋黄顶部的一层薄薄的细胞，”西斯洛说。论文解释说，为了更好地观察这个过程，他们通过计算将这组弯曲的细胞压平成一个平面，“以尊重实际物理配置的三维几何形状的方式”，并在这些细胞分裂和移动时跟踪它们，对夏威夷 P. hawaiensis 早期发育的这一特定阶段进行了首次动态分析。

观察开始十二小时后，不断增长的细胞数量不仅增加了一倍多，而且它们将自己排列成一个网格，其行与成人身体的各个部分相对应。从那里开始，大致相当于甲壳类动物腹部区域的单层细胞经历细胞分裂波，从中线开始横向扩散，沿着动物的头部到尾部的轴分裂， -是。

西斯洛说，这些划分并不是随机的。也就是说，这些细胞不会仅仅变成更大的看似无序的细胞团，而是会分裂，然后一些子细胞会在再次分裂之前将自己重新调整多达 90 度，以保持它们与头尾轴的对齐。

“当它进行划分编排时，你开始看到新的行插入到行之间，将上方和下方的行推开，”他说。“这是非常疯狂的，因为在无生命的物理系统中，这是一个非常耗费能源的操作。” 西斯洛说，在金属和晶体中，这种重组机制需要将材料加热到数千度才能变得可行，“但这里的虾是在室温下进行的。” 据研究人员所知，细胞分裂的总轴很可能与尚未发现的生物信号有关。

研究人员表示，尽管四重取向很脆弱，而且在某些情况下能量昂贵，但在甲壳类动物发育的早期阶段至关重要。

“对于如何解释这些结果有一些想法，”斯特莱坎说。“基本思路涉及动物四肢的方向。就像我们的手或腿一样，这些肢体有明确的方向……并且由于身体由多个这样的肢体组成，因此适当的身体功能需要协调这些肢体的方向。

“想象一下你的左手相对于你的右手旋转，比如说 180 度交换你的手背和手掌，”他补充道。“日常任务将变得非常具有挑战性!”

鲍威克说，要记住的一件重要的事情是，这个组织以结构化的流动状态存在——不完全是流动的，也不完全是固体。“从物理学的角度来看，相具有与超流体相同的形式，”他解释道。

鲍威克补充说，事实证明，对于细胞网格状组织产生的所有秩序来说，流体状态和细胞分裂带来的混乱的可能性对于生物系统所需的灵活性至关重要。“细胞不仅在分裂，而且在分裂过程中它们显然还相互施加力量，”他说。

研究人员发现，每个细胞都有自己的小马达和自主分裂的“时钟”，在整个早期细胞增殖阶段和细胞继续增殖的后续阶段，都会产生一定量的“噪音”——变化和波动。但组织本身也在拉长。这种噪音乍一看似乎对形成具有如此多不同附属物的复杂身体起反作用，但根据研究人员的说法，噪音本身对于一个稳健的过程是必要的。利用其四重方向，该系统占据了秩序与无序之间的“金发姑娘区”：足够秩序来开始构建生物，但仍然具有足够的开放性，可以吸收过程中的细微差异。

通过一系列模拟，他们发现，尽管时间或分裂浓度(在一定程度上)存在变化，或者存在在增殖过程中没有重新定向的细胞，但最终仍然有可能达到相同的结果最终结果。

西斯洛说：“我们的结论是，生物学实际上并不需要非常严格地控制事物才能达到预期的结果。”这一发现只有动态分析才能产生。

鲍威克同意。“想象一下，您希望系统达到某种有序状态;如果你完全静止，你永远找不到它，”他说。“但如果你改变这个系统，你可能会让它最终进入一个良好的有序状态。这里发生的事情似乎是细胞分裂正在撼动系统，使其最终进入一种微妙的有序状态。”

这项研究为发育生物学一个罕见的方面提供了令人着迷的一瞥，这一方面沿着几何组织原则运作，正如其四重方向所见。

“果蝇是发育生物学的氢原子，通过一系列生化信号来组织其身体计划的各个部分，”西斯洛解释道。“这是完全不同的事情。”

“狄龙的工作最酷的地方在于，在细胞位置水平上发现了方向顺序，标志着机械可观察的有序状态，”Streichan 说。与胚胎细胞依赖化学信号进行定向的其他动物的发育不同，夏威夷松鼠的网格图案是一种跨越两个区域的机械事件——一个靠近头部，一个远离头部，从而使两个区域保持一致关于他们的细胞的位置。网格还保证了在发育之前成为肢体的细胞的位置和方向。

在很多方面，狄龙的项目提供了另一个例子，表明生物学找到了利用物理学来实现其目的的方法，”Streichan 说。

“这也可以为材料科学提供一些教训，”鲍伊克补充道。“如果你想建造有趣的材料，你可能想从生物学中吸取教训，让其中一些材料系统失去平衡，并以这种方式制造出奇妙的结构。”