表面張力，允許水漫過杯子口些許而不會溢出來，允許像水黽這樣的昆蟲在水面上行走，而這種物理現(xiàn)象也會影響人體的對稱性。在最近的《自然》（Nature）上的一項新研究中，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們將表面張力影響人體對稱性的發(fā)現(xiàn)，表述為“類似于一種自然的自我糾正”。

脊椎動物的手臂、腿、鰭或翅膀整齊地排列在軀干的兩側(cè)。雖然這種對稱性看似不起眼，卻又十分自然，但每個物種有序的結(jié)構(gòu)特征實際上是胚胎形成過程中一系列復(fù)雜過程的結(jié)果。在這項研究中，科學(xué)家們展示了表面張力——一種完全機(jī)械的力——是如何影響體節(jié)（驅(qū)動肢芽發(fā)育的胚胎構(gòu)造塊）的最終位置和縱向?qū)ΨQ性的。

這個新發(fā)現(xiàn)為生命的早期階段提供了新的見解，首次證明了所有胚胎組織中的表面張力是如何驅(qū)動脊椎動物發(fā)育的關(guān)鍵過程的。

體節(jié)是出現(xiàn)在神經(jīng)管左右兩側(cè)的微小塊狀結(jié)構(gòu)，神經(jīng)管是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的前身。在胚胎發(fā)育的早期階段，體節(jié)沿著體軸有節(jié)奏地、順序地形成。這些微小的突起是肌肉骨骼系統(tǒng)的起點，形成左右對稱的分段肋骨、脊柱及其相關(guān)肌肉，這是所有脊椎動物的共同特征。長期以來，人們一直認(rèn)為體節(jié)的最終左右對稱性非常精確，這是由于遺傳振蕩器的作用，即所謂的分段時鐘。然而，事實證明，這種教科書觀點是錯誤的。

研究人員解釋說：“有時，體節(jié)最初會在長度不均勻、形狀不對稱的兩側(cè)形成。”在他們的研究中，科學(xué)家們開始了解這種早期變異最終如何發(fā)展為身體對稱的。

科學(xué)家們使用各種成像技術(shù)來研究斑馬魚胚胎。他們觀察到一個過程，即這種不精確的模式很快自我糾正，體節(jié)在形成后約一小時左右在神經(jīng)管兩側(cè)的長度和分布變得均勻。他們還發(fā)現(xiàn)，盡管這些微小結(jié)構(gòu)的長度發(fā)生了變化，但它們的體積保持不變。

隨著長度的變化，它們的高度和寬度會進(jìn)行調(diào)整以進(jìn)行補(bǔ)償。這些初步觀察結(jié)果使研究人員得出結(jié)論，這些變化可能是由表面張力驅(qū)動的，表面張力是所有胚胎組織共有的一種物理化學(xué)性質(zhì)，與液體與其環(huán)境相互作用的方式有關(guān)。為了保持相同分子之間的內(nèi)聚力，表面的分子具有稍高的能量。系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)朝著消耗最少能量的穩(wěn)定配置移動。這反過來會導(dǎo)致表層收縮和凸起。

研究人員進(jìn)行了一系列體內(nèi)和體外實驗，以證明生物表面張力和對稱性之間的聯(lián)系。例如，在一個實驗中，他們觀察到實驗室培養(yǎng)的體節(jié)呈現(xiàn)出與葉子上露珠相同的圓形外觀。但表面張力是否能提供足夠的力來恢復(fù)這些結(jié)構(gòu)的長度？

多虧了已知對表面張力有影響的蛋白質(zhì)引發(fā)的破壞，研究小組證明體節(jié)不再是相同的長度。因此，在下一階段的研究中，他們使用計算機(jī)建模技術(shù)來比較和審查不同的模型，開發(fā)自動算法來篩選和分析數(shù)TB的成像數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，組織力學(xué)在精確測量組織形狀和大小方面的作用可以應(yīng)用于類器官系統(tǒng)，但在這些系統(tǒng)中，實現(xiàn)精確的組織形狀仍然是一個尚未解決的問題。

所有的觀察結(jié)果都指向同一個方向：表面張力有助于糾正長度和對稱性方面的錯誤。盡管這項研究專門針對斑馬魚胚胎，但研究結(jié)果可能具有普遍意義。表面張力在所有物種的發(fā)育組織中都很常見，這一事實表明，這種自我糾正過程也可能發(fā)生在其他脊椎動物身上。

科學(xué)家們計劃繼續(xù)他們的研究，以解決關(guān)于身體對稱起源的其他未解問題。例如，在演示了表面張力如何影響這些基本構(gòu)件的形狀和對稱性之后，團(tuán)隊仍然需要了解軀干兩側(cè)大小相等的肢體是如何以及為什么會發(fā)育的。

“這是我們的下一個大挑戰(zhàn)，”研究人員說。他們的研究可能會提供對其他有趣問題的洞察，比如為什么相對較遠(yuǎn)的器官（如眼睛和耳朵）在形狀上是對稱的，以及身體的對稱性如何與其他器官（如心臟和胃）的不對稱定位相協(xié)調(diào)。