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            胚胎發(fā)育中的數(shù)學(xué)

            加入時間:2024-07-26 18:09    訪問量:1204    信息來源: 大自然探索 2024年5期

              關(guān)于生命,最基本、最長久的奧秘之一是:生命是怎樣開始的?以人體發(fā)育為例:單個細(xì)胞怎樣聚集到一起,最終形成像皮膚、肌肉、骨骼、大腦這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)?

            預(yù)測與觀測完全吻合

              雖然諸如此類的奧秘依然未解,但科學(xué)家最近已開始探索原腸胚形成的過程,即胚胎細(xì)胞從一個單層發(fā)育為一個帶軸立體結(jié)構(gòu)的階段。對人類來說,原腸胚形成在受孕大約14天后就開始了。因為不可能對如此早期的人類胚胎進(jìn)行研究,所以科學(xué)家在最近這項探索中的研究對象是雞,而雞的胚胎在原腸胚形成階段與人的胚胎有很多相似之處。

              基于生物學(xué)研究結(jié)果,科學(xué)家建立了一個數(shù)學(xué)模型。該模型能準(zhǔn)確預(yù)測雞的原腸胚形成流,即在整個雞胚胎中數(shù)萬個細(xì)胞的流動。預(yù)測結(jié)果與在顯微鏡下觀測到的結(jié)果完全吻合。這也是數(shù)學(xué)模型首次準(zhǔn)確模擬實體雞胚胎中的原腸胚形成流。

            不同物種或法則相同

              接下來,科學(xué)家想要知道:除了能模擬出已知實驗?zāi)茏C明為真的結(jié)果外,該模型能否預(yù)測發(fā)生在不同條件下的結(jié)果?于是,他們改變了原先在型中設(shè)定的原始參數(shù)(即初始條件)。結(jié)果,讓他們驚訝的是,該模型產(chǎn)生了雖然在天然狀態(tài)下雞的身上沒有觀測到、但在天然狀態(tài)下蛙和魚的身上能觀測到的原腸胚形成流。為了確認(rèn)這些模擬結(jié)果不是純粹的數(shù)學(xué)把戲,科學(xué)家又在與模型參數(shù)設(shè)置相同的條件(如溫度)下,于實驗室中在雞胚胎上進(jìn)行驗證。果不其然,這些雞胚胎出現(xiàn)了與天然狀態(tài)下于蛙和魚身上觀測到的相同的原腸胚形成流。

              這些結(jié)果表明,在各種不同的脊椎動物所演化出的多細(xì)胞自行組合(自組)背后,其生理法則很可能相同。魚、雞、蛙生活在各不相同的環(huán)境中,隨著時間推移,進(jìn)化壓力可能會改變胚胎發(fā)育的初始條件(即上述模型中的參數(shù))。但這些不同物種在自組方面的一些核心法則很可能相同,至少在原腸胚形成的早期階段如此。

            希望能有助人類長壽

              科學(xué)家已在探索能產(chǎn)生胚胎規(guī)模自組模式的其他機(jī)制。他們希望,這方面的研究能促進(jìn)生物材料設(shè)計和再生醫(yī)療的發(fā)展,從而幫助人類健康地活得更久。

              科學(xué)家指出,人體是最復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于人體的生物學(xué)、生理學(xué),依然有很多未解之謎。但隨著科學(xué)的進(jìn)步,我們將逐漸找到答案。

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