你能拥有对称的身体，是被这种力“捏”出来的
图片来源：Unsplash
当我们习惯了对称的面容、躯干和双手双脚时，你是否思考过，这种对称性是如何起源的呢？
撰文 | 二七
审校 | 王怡博
在大约5.5亿年前的一片浅水中，一条长长的“麦穗”正在水底蠕动，在它身后的沉积物表面留下了长长的痕迹。
这是一条夷陵虫（Yilingia spiciformis），它的整个身体看起来像是一根长长的麦穗。尽管它的长相与人类，乃至我们熟悉的许多动物绝无相似之处，但这位5.5亿年前的生命先驱已经拥有了现代绝大多数动物的共同特征——两侧对称。
夷陵虫复原图（图片来源：南京古生物所/陈哲）
以脊椎动物为例，无论拥有的是四肢、鳍还是翅膀，它们都整齐地排列在躯干两侧，而且大小、位置和形状都基本相同。长期以来，我们对身体外形的两侧对称习以为常，这样的特性甚至可能在潜移默化中成为了我们审美的重要标准——尤其对“强迫症”来说。
然而这样广泛存在于动物间的基本结构，实际上是胚胎形成和发育过程中一系列复杂过程的结果。最近，发表于《自然》的一项研究发现，我们拥有对称的身体外形，不仅是由基因等生物分子导致的，机械力也发挥着重要的作用。
一生中真正重要的时刻
在生命最初的阶段，胚胎就像一个圆圆的球，由许多细胞组成。不用说两侧对称了，连头尾和背腹都分不出来。但很快，随着胚胎内的细胞流动，胚胎内逐渐形成了不同的胚层，也出现了头尾和背腹的区别。这个阶段被称为原肠胚时期。
关于原肠胚形成，英国发育生物学家刘易斯·沃尔珀特（Lewis Wolpert）曾有一句广为流传的名言：“你一生中真正最重要的时刻，不是出生，不是结婚，也不是死亡，而是原肠胚形成。”同样，我们两侧对称的外形也是在这个时期奠定了基础。
斑马鱼胚胎中体节的形成过程（视频来源：原论文）
在原肠胚后期，胚胎开始伸长，在背部形成神经管。神经管和下方的脊索共同构成了我们的“中轴线”——这就是我们身体的对称线。就在神经管的两侧，对称分布着两条被称为“准体节中胚层”（PSM）的组织。随着胚胎的发育，从胚胎靠近头部的位置开始，左右两侧的PSM中的细胞会同时开始聚集成团，当这两个细胞团完全成型、脱离PSM后，一对体节（somite）就形成了。
一直以来，体节被认为是脊椎动物两侧对称的基础。当前一对体节形成后，下一组细胞又会在相邻位置聚集成团，形成下一对体节。如此周而复始，体节就按从头到尾的方向，一对接一对地形成了。学界曾认为，在一些呈周期性振荡的生物分子（通常被称为分节时钟，segmentation clock）的调控下，每一对体节的形成时间、位置和形态都受到了严格的控制。只有保证了体节在最初形成时的对称，才能进一步发育出我们两侧对称的身体。
体节的“自我纠正”
然而，体节在形成时真的是对称的吗？最近，洛桑联邦理工学院的三位生物工程学家和物理学家发现，这个教科书级的认知并不准确。体节也会长歪，只是被“捏”了回来。而把它“捏”回来的并非任何基因等生物分子，而是一种我们熟悉的机械力——表面张力。
起初，研究者只是在观察斑马鱼——一种经常出现在各类生物学实验中的模式生物——胚胎体节的形成过程。他们惊讶地发现，体节的形成并没有那么规则，经常会出现两侧体节“各长各”的情况：刚形成的体节不仅长度不一致，而且形状也不对称。
但是在短短1小时后，体节似乎就迅速完成了“自我纠正”，均匀分布在神经管两侧。在这个过程中，胚胎里究竟发生了什么？
刚形成的体节左右并不对称（上），但一小时后就调整为了对称的形态（下）（图片来源：原论文）
研究者首先试图确认生物信号的影响。为此，他们检测了体节中细胞数量的变化。然而，无论体节的纵向长度（指头尾方向的长度）是增加还是减少，所有体节中的细胞数量都增加了，而且细胞数量的变化与体节纵向长度的变化之间没有显著的关系。
另一个重要的信号是，研究者发现，即使两侧体节的纵向长度发生了变化，它们的总体体积依然保持不变——当体节的长度改变后，它的高度和宽度也会做相应调整。
这样一来，就像是有一只看不见的手，把两边的体节像揉橡皮泥一样，捏成了对称的形状。那么，这只“手”是什么？研究者给出了一个猜测——表面张力。
圆圆的露珠
我们对表面张力并不陌生，清晨凝聚在叶片上圆圆的露珠、牛奶表面聚集在一起的谷物圈，都是在表面张力的作用下形成的。水面上常见的水黾，也是依靠水的表面张力获得“水上漂”的本领。
研究团队并不是随便给出了表面张力的猜测。他们曾进行过一系列实验，来证明表面张力与生物体形态之间的关系。例如，研究者观察到，实验室培养的体细胞外形呈现出与露珠相同的圆形外观。
但想要证明表面张力是否真的拥有决定体节形态的能力，还需要进一步实验验证。研究者首先破坏了一些能够影响表面张力的蛋白质，从而削弱了体节的表面张力，他们发现神经管两侧的体节明显无法形成对称的形态。作为对比，他们还干扰了胚胎的分节时钟，结果发现尽管体节的长度发生了变化，但体节依然能够维持两侧对称的形态。
实验室培养的体细胞外形呈现出了类似露珠的圆形外观。（视频来源：原论文）
“我们得出的结论是，表面张力可以帮助纠正体节长度和对称性的错误，”桑达尔·纳加纳坦（Sundar Naganathan，这研究的共同作者）总结道。尽管他们只针对斑马鱼胚胎进行了实验和深入研究，但研究者依然认为，这一发现很可能具有普遍意义。“表面张力在所有物种的发育组织中都很常见，这种自我纠正过程也可能发生在其他脊椎动物身上。”
接下来，研究者还希望能够继续研究，解决更多关于身体对称性起源的问题。“我们的工作解释了表面张力如何影响这些基本结构的形状和对称性，接下来，要解释四肢的具体形成过程将是一个重大挑战。”而且除了对称性之外，纳加纳坦和同事也在试图理解动物的不对称性，“比如心脏和胃为什么并不对称，在人体发育过程中，这种不对称性又是如何与对称性相协调的。”
知道你想问心脏为什么不对称，点击跳转：
封面来源：Pixabay
参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04646-9#Sec8
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3164975/
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1522-7
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.2005086#sec011
《环球科学》5月新刊销售中
戳图片或阅读原文
立即购买
微信扫码关注该文公众号作者