摘要: 你有沒(méi)有想過(guò)，斑馬魚(yú)那有規(guī)律的條紋是怎么來(lái)的呢？最近，布朗大學(xué)的研究人員們建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它可以揭示斑馬魚(yú)標(biāo)志性條紋的形成過(guò)程，讓我們了解色素細(xì)胞是如何穿過(guò)皮膚、又如何隨著斑馬魚(yú)的生長(zhǎng)而更替。將這兩者相結(jié)合，就可以保持斑馬魚(yú)的條紋線啦~如果想了解更多的話...
你有沒(méi)有想過(guò)，斑馬魚(yú)那有規(guī)律的條紋是怎么來(lái)的呢？最近，布朗大學(xué)的研究人員們建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它可以揭示斑馬魚(yú)標(biāo)志性條紋的形成過(guò)程，讓我們了解色素細(xì)胞是如何穿過(guò)皮膚、又如何隨著斑馬魚(yú)的生長(zhǎng)而更替。將這兩者相結(jié)合，就可以保持斑馬魚(yú)的條紋線啦~如果想了解更多的話，在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)雜志》上有關(guān)于該模型的相關(guān)描述。
斑馬魚(yú)條紋的形成過(guò)程
在過(guò)去的幾十年里，斑馬魚(yú)已經(jīng)成為非常受生物學(xué)研究者們歡迎的生物體了。小淡水魚(yú)可以在短短幾個(gè)月內(nèi)從一個(gè)透明的胚胎成長(zhǎng)為足尺的小家伙，這讓科學(xué)家們有機(jī)會(huì)詳細(xì)觀察他們的成長(zhǎng)。它們還有著帶有深藍(lán)色和亮黃色條紋的同名魚(yú)，這些小伙伴的出現(xiàn)成為了許多研究的主題，而且這些條紋已被證明是黑色素細(xì)胞、黃色素細(xì)胞和銀色閃光細(xì)胞三種色素細(xì)胞之間相互作用的結(jié)果。
布朗大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系研究生和新論文的主要作者亞歷山大?維克寧說(shuō)：
“這種條紋圖案的形成會(huì)隨著魚(yú)的生長(zhǎng)而動(dòng)態(tài)變化。斑馬魚(yú)圖案的形成，是隨著時(shí)間的推移、細(xì)胞間的相互作用而產(chǎn)生的，不像某些色素細(xì)胞，只能單純地填充某種已經(jīng)存在的未定型圖案。”
他想要建立一個(gè)基于現(xiàn)代生物學(xué)的模型來(lái)模擬這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，這樣斑馬魚(yú)的條紋再也不是秘密了，想想都有些小激動(dòng)有木有！
學(xué)霸維克寧建立的這個(gè)模型是將細(xì)胞看成一個(gè)個(gè)體，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的一套規(guī)則模擬條紋圖案形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程。它恰好包含黑色素細(xì)胞和黃色素細(xì)胞這兩類細(xì)胞，而第三種細(xì)胞——虹細(xì)胞，雖然不在模型之中，但它對(duì)其他兩類細(xì)胞行為的影響也是毋庸置疑的。
一開(kāi)始，黑色素細(xì)胞和黃色素細(xì)胞模擬幾周大的魚(yú)體內(nèi)細(xì)胞的排列方式，隨之模型域以接近于魚(yú)的成長(zhǎng)方式生長(zhǎng)。隨著模型域的增長(zhǎng)，新增的細(xì)胞模擬干細(xì)胞 （也就是那些魚(yú)“顏料”的生產(chǎn)基地）從現(xiàn)有的色素細(xì)胞中獲取細(xì)胞的類型，當(dāng)然，這些信號(hào)來(lái)自于附近以及遠(yuǎn)處的細(xì)胞。活體魚(yú)的實(shí)驗(yàn)表明，長(zhǎng)短距離的通信都很重要的。在這個(gè)模型中，我們發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)新的干細(xì)胞被黑細(xì)胞包圍，而其相鄰的條紋區(qū)域是黃色，那么它更可能成為一個(gè)暗細(xì)胞，正所謂“近朱者赤近墨者黑”嘛！黃色細(xì)胞也同樣如此，死亡是由相似的機(jī)制控制的，如果一個(gè)黑細(xì)胞四面是亮細(xì)胞、或者周圍沒(méi)有足夠的黃色細(xì)胞，那么它死亡的概率會(huì)更高。沒(méi)了伴侶，難不成孤獨(dú)終老？
實(shí)驗(yàn)表明，色素細(xì)胞能夠在魚(yú)的皮膚表面短距離移動(dòng)，因?yàn)槟Ｐ湍懿蹲降酵瑯拥膭?dòng)態(tài)，所以可認(rèn)為色素是因接收到周圍細(xì)胞傳遞的信號(hào)而移動(dòng)的。在模型中，所有的細(xì)胞相互排斥，但異型細(xì)胞比同型細(xì)胞有更強(qiáng)的排斥作用，有排斥就有運(yùn)動(dòng)啦，不然還賴著不走？而這些運(yùn)動(dòng)信號(hào)是怎么來(lái)的呢？它們來(lái)自于色素細(xì)胞周圍的細(xì)胞。
如果我們對(duì)處于正常生長(zhǎng)期的活體魚(yú)應(yīng)用這些規(guī)則，那么模型就可能會(huì)成功地重現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中看到的條紋形成的過(guò)程，甚至再現(xiàn)生物學(xué)家做的各種關(guān)于干擾條紋形成的實(shí)驗(yàn)成果，好厲害有木有！之前就有科學(xué)家們通過(guò)在魚(yú)成長(zhǎng)早期除去色素細(xì)胞以觀察去色素細(xì)胞對(duì)魚(yú)生長(zhǎng)的影響，然而實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)這些細(xì)胞被除去后，魚(yú)繼續(xù)成長(zhǎng)形成的是橢圓形一團(tuán)一團(tuán)的斑點(diǎn)，而不是一道一道的條紋！當(dāng)然這個(gè)模型也是可以重現(xiàn)這些影響的。
只要他們有了可以重現(xiàn)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的模型，研究人員就可以測(cè)試不同的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)是如何影響條紋的形成啦。
“關(guān)于出生和死亡對(duì)這種細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的作用，我們暫不清楚。你想知道哪個(gè)作用呢？？”布朗大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系主席，以及這篇論文的合著者比約恩?桑德斯坦德說(shuō)，“在模型中，我們可以做的是把兩者之一關(guān)閉，然后看看我們得到的結(jié)果（但在現(xiàn)實(shí)情況下就不一定可以咯）?！?/p>
該模型表明，隨著色素細(xì)胞停止運(yùn)動(dòng)，細(xì)胞形成的橢圓形斑點(diǎn)就不再有特定的方向。而隨著色素細(xì)胞停止新陳代謝，細(xì)胞會(huì)形成緊密堆積的斑點(diǎn)，而不再是有序的條紋。綜合看來(lái)，在條紋圖案形成過(guò)程中，色素細(xì)胞運(yùn)動(dòng)與起細(xì)胞活動(dòng)性相互依存的動(dòng)態(tài)就很顯而易見(jiàn)啦。
桑德斯坦德認(rèn)為，像這樣的模擬很重要，畢竟，它給我們提供了一個(gè)研究自然界的窗口啊，有了它，我們才能知道這些復(fù)雜圖案和結(jié)構(gòu)是怎么形成的。我們看到的任何一種生物，一開(kāi)始都只是卵母細(xì)胞——起始于狹小空間分化的圓形結(jié)構(gòu)，最后卻像我們一樣有著復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，是不是很神奇？難道你就不想要一探究竟嗎？他說(shuō)：“我認(rèn)為，嘗試?yán)斫饪臻g分化的過(guò)程是很重要的，斑馬魚(yú)和它們的條紋就是一個(gè)很好的模型，因?yàn)檫@樣你就可以根據(jù)現(xiàn)有的了解識(shí)別不同的細(xì)胞和在過(guò)程中他們正在做的事。”
維克寧還說(shuō)，她計(jì)劃繼續(xù)改善模型，以便更好地捕捉不直接包含在當(dāng)前模型虹細(xì)胞對(duì)其他細(xì)胞的影響，也希望模型可以作為未來(lái)活體魚(yú)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)。畢竟模型的好處之一就是可以在六分鐘內(nèi)做這件事，要知道在實(shí)際情況中可是需要數(shù)周來(lái)養(yǎng)殖魚(yú)的啊，瞬間感覺(jué)方便了好多有木有！
