世界上最小的鱼，paedocypris，只有7毫米长。这和9米长的鲸鲨相比根本不算什么。这种小鱼与鲨鱼有许多相同的基因和相同的解剖结构，但它们的背鳍和尾鳍、鳃、胃和心脏要小上几千倍!这种微型鱼的器官和组织是如何停止快速生长的，不像它们的巨型表亲?由日内瓦大学（Unige）、瑞士和马克斯-普朗克复杂系统物理研究所（MpIpKs）领导的多学科小组通过研究其物理学和使用数学方程来回答这个基本问题，正如他们在《自然》杂志上发表的研究所揭示的。

发育中组织的细胞在信号分子，即形态发生素的作用下增殖并组织起来。但是，它们如何知道他们所属的生物体的大小是合适的呢？大学理学院生物化学系教授、德累斯顿MpIpKS主任弗兰克·尤利彻（Frank Jülicher）的研究小组通过追踪果蝇不同大小的组织细胞中的一种特定形态素，解开了这一谜团。

在果蝇中，形成十五个附肢（翅膀、触角、下颚……）所需的形态发生素十五肽（Dpp）分子从发育组织内的局部源扩散，然后在远离源时形成逐渐减小的浓度梯度（或逐渐变化）。在之前的研究中，Marcos Gonzalez-Gaitan的研究小组与德国研究小组合作，已经表明Dpp的这些浓度梯度会根据发育组织的大小延伸到更大或更小的区域。因此，组织越小，Dpp梯度从其扩散源的扩散越小。另一方面，组织越大，Dpp形态发生梯度的扩散越大。然而，这个浓度梯度如何适应未来组织/器官的不断增长的大小仍然是个问题。

解决生物学问题的多学科方法

“我的团队由生物学家、生物化学家、数学家和物理学家组成，最初的方法是分析每个细胞水平上发生的事情，而不是将我们的观察放在组织的尺度上，”Marcos Gonzalez Gaitan评论道。Frank Jülicher说：“中心点是像处理物质一样处理生物，也就是说，用物理学原理研究生物学。”这两个研究小组已经开发出一套精密的工具，利用定量显微镜技术精确追踪组织细胞内和细胞间Dpp分子的命运。“这些工具使我们能够为这种形态发生定义大量与细胞过程相关的参数。例如，我们测量了它在扩散回其他细胞之前与细胞结合、穿透细胞、降解或被细胞回收的效率。总之，我们测量了生物化学系高级研究员、本研究第一作者Maria Romanova Michailidi解释道。

用数学方程解释标度机理

科学家们收集了所有这些关于Dpp的数据，这些数据来自于正常果蝇和无法扩展的突变体中属于不同大小组织的细胞。他们发现正是这些不同的运输步骤决定了梯度的范围。因此，在一个小的组织中，Dpp分子主要通过细胞间的扩散来传播。因此，由于降解，其浓度在其来源周围迅速下降，产生一个狭窄的梯度。另一方面，在较大的组织中，进入细胞内的Dpp分子也被高度再循环，使得梯度延伸到更大的区域成为可能。“我们终于能够提出一个无偏见、统一的形态发生素运输理论，深入到系统的关键方程，并揭示了缩放的机制！”Romanova Michailidi热情高涨。

通过对果蝇中Dpp分子的研究建立的理论物理和实验方法的结合，可以推广到参与各种发育组织形成的其他分子。“我们的单一和多学科方法使我们能够为亚里士多德在近2500年前就已经在问自己的一个基本生物学问题提供一个普遍的答案：鸡蛋如何知道什么时候停止生长才能变成鸡？”Marcos Gonzalez-Gaitan总结道。

杂志

Nature

DOI

10.1038/s41586-021-04346-w