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原標題：手指腳趾的形成也符合圖靈生物花紋理論

可用于解釋數(shù)百萬細胞怎樣最終形成心臟等器官

圖 手指也可以作為一種花紋，就像許多動物身上的條紋和斑點一樣能用圖靈模型來預測。

科技日報訊 最近，西班牙加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）和龐培法布拉大學（UPF）科學家合作，通過實驗證明了手指和腳趾的形成也受圖靈60多年前提出的生物花紋形成機制的控制。

“計算機科學之父”、英國數(shù)學家阿蘭·圖靈對數(shù)學生物學的貢獻同樣重大，他于1952年發(fā)表了一篇關于自然界花紋是怎樣形成的論文，開創(chuàng)了一個全新的數(shù)學領域。論文中提出了一個由兩種分子構成的系統(tǒng)，如果分子以恰當方式擴散反應，就會產(chǎn)生斑點或條紋。

他的數(shù)學方程顯示，在統(tǒng)一的初始條件下，比如均勻分布沒有花紋，分子濃度會自發(fā)地組織成一種重復性空間花紋。這一理論逐漸被人們接受，并用來解釋一些簡單花紋，如斑馬條紋、沙丘波紋，但用在胚胎發(fā)育中還不太合適，還不能解釋一些結構比如手指是怎么形成的。

新研究由ICREA教授詹姆斯·夏普負責，UPF基因組調(diào)控中心多細胞系統(tǒng)生物學實驗室提供數(shù)據(jù)。夏普說，本研究是對他們2012年《科學》雜志上一篇論文的補充，當時他們提出Hox基因和FGF信號能調(diào)節(jié)一個假設的圖靈系統(tǒng)，但圖靈所說的分子本身還未發(fā)現(xiàn)。而新研究揭示了在圖靈系統(tǒng)發(fā)揮作用的信號分子。

據(jù)物理學家組織網(wǎng)7月31日報道，研究人員利用系統(tǒng)生物學方法，結合實驗結果和計算機模型反復調(diào)整。他們篩選了多種不同的基因表達，最終發(fā)現(xiàn)了兩個信號路徑具有所需的活動模式：BMPs和WNTs，而且這兩個信號路徑通過一種非擴散性分子——轉(zhuǎn)錄因子Sox9連接。隨后他們逐漸構建了兼容所有數(shù)據(jù)的數(shù)學模型，并能用模型預測抑制兩條路徑的結果：抑制其中之一或同時抑制，會讓手指形狀發(fā)生怎樣的改變。他們用培養(yǎng)的胚芽組織進行實驗，胚胎上也會出現(xiàn)同樣的手指形狀，證明了他們的計算預測。

本研究的影響遠遠超過理解手指發(fā)育，回答了更廣泛的爭論：身體中數(shù)百萬的細胞是怎么自行運動排列，最終形成恰當?shù)娜S結構——腎臟、心臟及其他器官的？它還挑戰(zhàn)了目前的主流觀點，劉易斯·沃爾伯特提出的“位置信息”論，該理論認為細胞知道自己要干什么，因為它們都接受了自己的空間“配合”信息（類似于地圖上的經(jīng)度和緯度）。新研究論文中強調(diào)，在器官形成中，局部自組織機制或許比人們以往認為的更重要得多。

研究人員指出，要想開發(fā)出有效的再生醫(yī)學策略，必須正確理解多細胞器官，才可能為各個器官設計出替代組織。這些發(fā)現(xiàn)也解釋了為何多指（趾）畸形是人類中一種普遍的先天缺陷，在數(shù)學上，圖靈系統(tǒng)調(diào)節(jié)“條紋”數(shù)量的模型比其他模型的精確性略低。（常麗君）