科学家揭开人类手指脚趾形成之谜

最近，西班牙加泰罗尼亚高等研究院（ICREA）和庞培法布拉大学（UPF）科学家合作，通过实验证明了手指和脚趾的形成也受图灵60多年前提出的生物花纹形成机制的控制。

“计算机科学之父”、英国数学家阿兰·图灵对数学生物学的贡献同样重大，他于1952年发表了一篇关于自然界花纹是怎样形成的论文，开创了一个全新的数学领域。论文中提出了一个由两种分子构成的系统，如果分子以恰当方式扩散反应，就会产生斑点或条纹。

他的数学方程显示，在统一的初始条件下，比如均匀分布没有花纹，分子浓度会自发地组织成一种重复性空间花纹。这一理论逐渐被人们接受，并用来解释一些简单花纹，如斑马条纹、沙丘波纹，但用在胚胎发育中还不太合适，还不能解释一些结构比如手指是怎么形成的。

新研究由ICREA教授詹姆斯·夏普负责，UPF基因组调控中心多细胞系统生物学实验室提供数据。夏普说，本研究是对他们2012年《科学》杂志上一篇论文的补充，当时他们提出Hox基因和FGF信号能调节一个假设的图灵系统，但图灵所说的分子本身还未发现。而新研究揭示了在图灵系统发挥作用的信号分子。

据物理学家组织网7月31日报道，研究人员利用系统生物学方法，结合实验结果和计算机模型反复调整。他们筛选了多种不同的基因表达，最终发现了两个信号路径具有所需的活动模式：BMPs和WNTs，而且这两个信号路径通过一种非扩散性分子——转录因子Sox9连接。随后他们逐渐构建了兼容所有数据的数学模型，并能用模型预测抑制两条路径的结果：抑制其中之一或同时抑制，会让手指形状发生怎样的改变。他们用培养的胚芽组织进行实验，胚胎上也会出现同样的手指形状，证明了他们的计算预测。

本研究的影响远远超过理解手指发育，回答了更广泛的争论：身体中数百万的细胞是怎么自行运动排列，最终形成恰当的三维结构——肾脏、心脏及其他器官的？它还挑战了目前的主流观点，刘易斯·沃尔伯特提出的“位置信息”论，该理论认为细胞知道自己要干什么，因为它们都接受了自己的空间“配合”信息（类似于地图上的经度和纬度）。新研究论文中强调，在器官形成中，局部自组织机制或许比人们以往认为的更重要得多。