生物体的生长取决于波浪的模式
2020-03-31
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研究表明，从海洋和大气环流到量子流体，新受精卵上的波纹与其他系统相似。当几乎所有有性繁殖物种的卵细胞受精时，它都会引发一系列波荡在卵表面的波纹。这些波是由数十亿种活化蛋白产生的，这些蛋白像微小的穴居哨兵一样流过卵膜，表明卵开始分裂，折叠并再次分裂，从而形成生物体的第一个细胞种子。
现在，麻省理工学院的科学家已经详细研究了海星卵表面产生的这些波的模式。这些卵很大，因此易于观察，科学家认为海星卵是许多其他动物卵的代表。
研究小组在每个鸡蛋中引入了一种蛋白质来模拟受精的开始，并记录了响应时在其表面上起伏的波动模式。他们观察到每个波浪都以螺旋状出现，并且多个螺旋同时在蛋的表面旋转。自发地出现了一些螺旋形，并以相反的方向旋流而去，而另一些则正面碰撞并立即消失。
研究人员意识到，这些涡旋波的行为类似于在其他看似无关的系统中产生的波，例如量子流体中的涡旋，大气和海洋的环流以及通过心脏和心脏传播的电信号。脑。
物理学家Nikta Fakhri，托马斯·D·维吉尼亚（Thomas D.）和弗吉尼亚（Virginia）说：“对鸡蛋中这些表面波的动力学知之甚少，在我们开始对这些表面波进行分析和建模后，我们发现这些相同的模式也出现在所有其他系统中。”麻省理工学院的W. Cabot助理教授。“这是这种非常普遍的波动模式的体现。”
麻省理工学院数学副教授乔恩·邓克尔（JörnDunkel）补充说：“这为人们带来了全新的视角。” “您可以借鉴人们开发的许多技术来研究其他系统中的相似模式，以学习有关生物学的知识。”
法赫里（Fakhri）和邓克尔（Dunkel）今天在《自然物理学》杂志上发表了他们的研究结果。他们的共同作者是麻省理工学院的Tzer Han Tan，刘景辉，Pearson Miller和Melis Tekant。
寻找中心
先前的研究表明，卵子受精会立即激活Rho-GTP，Rho-GTP是卵子中的一种蛋白质，通常以非活跃状态漂浮在细胞质中。一旦被激活，数十亿种蛋白质就会从细胞质的泥沼中上升出来，并附着在卵膜上，并在壁上成蛇形波动。
“想像一下，如果您有一个非常脏的水族馆，并且一旦鱼在玻璃杯附近游泳，您就可以看到它，”邓克尔解释道。“以类似的方式，蛋白质位于细胞内的某个位置，当它们被激活时，它们会附着在膜上，然后您开始看到它们移动。”
法赫里（Fakhri）说，穿过卵膜的蛋白质波在某种程度上有助于组织围绕细胞核心的细胞分裂。
“鸡蛋是一个巨大的细胞，这些蛋白质必须协同工作以找到其中心，这样细胞才能知道在哪里分裂和折叠，形成许多生物，” Fakhri说。“没有这些蛋白质会产生波浪，就不会有细胞分裂。”
麻省理工学院的研究人员观察到新受精卵上的涟漪与其他系统相似，从海洋和大气环流到量子流体。由研究人员提供。
在他们的研究中，研究小组集中研究了Rho-GTP的活性形式以及当鸡蛋改变蛋白质浓度时在鸡蛋表面产生的波动模式。
对于他们的实验，他们通过微创外科手术从海星的卵巢中获得了约10个卵。他们引入了一种激素来刺激成熟，并且还注射了荧光标记物以附着在任何活性形式的Rho-GTP上，这些活性形式随反应而上升。然后，他们通过共聚焦显微镜观察了每个鸡蛋，并观察了数十亿种蛋白质在响应于不同浓度的人造激素蛋白质而活化并在鸡蛋表面上起伏。
“通过这种方式，我们创建了不同图案的万花筒，并观察了它们产生的动态，” Fakhri说。
飓风径
研究人员首先组装了每个鸡蛋的黑白视频，以显示在其表面传播的明亮波。波浪中的区域越亮，该特定区域中Rho-GTP的浓度越高。对于每个视频，他们比较像素之间的亮度或蛋白质浓度，并使用这些比较来生成相同波形的动画。
从他们的录像中，团队观察到波浪似乎像微小的飓风般螺旋状向外振荡。研究人员将每个波的起源追溯到每个螺旋的核心，他们将其称为“拓扑缺陷”。出于好奇，他们自己跟踪了这些缺陷的移动。他们进行了一些统计分析，以确定某些缺陷在蛋表面上移动的速度，以及螺旋弹出，碰撞和消失的频率以及频率。
他们惊奇地发现，他们的统计结果以及鸡蛋表面的波动行为与其他较大且看似无关的系统中的波动行为相同。
“当您查看这些缺陷的统计数据时，它实质上与流体中的涡流，大脑中的波或更大范围的系统相同，”邓克尔说。“这是相同的普遍现象，只是缩小到一个单元的水平。”
研究人员对电波与量子计算思想的相似性特别感兴趣。就像鸡蛋中的波型传递特定的信号一样，在这种细胞分裂的情况下，量子计算是一个旨在以精确的模式操纵流体中的原子以转换信息并执行计算的领域。
“也许现在我们可以借鉴量子流体的思想，从生物细胞构建微型计算机，”法赫里说。“我们预计会有一些差异，但是我们将尝试进一步探索[生物信号波]作为计算工具。”
这项研究得到了詹姆斯·麦克唐纳基金会，阿尔弗雷德·P·斯隆基金会和国家科学基金会的部分支持。
