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    天才?数学家图灵的理论,却也解释了生物进化!

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      普朗克

      数学家艾伦·图灵的理论描述了所有脊椎动物共享的原始发育工具箱,它为所有类型的皮肤结构设定了生长模式。1952年在发育生物学家谈论Hox基因和转录因子,甚至理解DNA结构的很久之前,艾伦·图灵就有了一个大胆的想法。这位著名的数学家通过破解恩尼格玛密码加速了第二次世界大战的结束。他的理论概括了条纹、斑点和鳞片是如何在两种简单的假想化学物质或形态因子的相互作用下形成。几十年过去了,生物学家们才察觉到这个数学理论实际上可以解释无数的生物模式。

      天才?数学家图灵的理论,却也解释了生物进化!

      博科园-科学科普:哺乳动物的毛发、鸟类的羽毛,甚至人类嘴巴上的隆起物,都是由类似图灵的机制进化而来。现在小齿——覆盖在鲨鱼皮肤上像牙齿一样的突出物,或许也能被列入图灵机制的行列。佛罗里达大学(University of Florida)的研究人员最近发现,鲨鱼牙齿由一种类似图灵(turning)机制形成,这种机制由负责形成羽毛图案的相同基因控制。领导研究的研究者加雷思·弗雷泽认为,不同脊椎动物的发育胚胎以同样的方式在其组织外层确定了特征模式,这种模式形成机制很可能随着第一批脊椎动物进化而诞生,此后发生很小变化。

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      这是一张被染色的猫鲨幼崽照片,图中显示了它的“皮肤齿状”齿纹。靠近背鳍的两行平行线显示了小齿本质的起源。然后小齿本质展开,在身体的其余部分呈现点状,以配合图灵样的机制作用。 图片:Alexandre Thiery, University of Sheffield

      哈佛大学(Harvard)发育生物学家亚历山大·席尔(Alexander Schier)说:这项研究的美妙之处在于,从鲨鱼牙齿到鸟类羽毛,形成任何东西的机制,都可能受到非常有力的保护。研究还支持了发展生物学中一个不断上升的主题——大自然往往会创造出一些东西,然后在这个主题上进行变异。图灵的模型叫做反应扩散机制,它只需要两种相互作用的物质,激活剂与抑制剂,就可以像墨水在水里一样通过组织扩散。激活剂启动某些过程,如点的形成,并促进其自身的产生。抑制剂可以停止这两种作用。抑制剂比激活剂在组织中传播得更快。根据激活剂和抑制剂释放的确切时间和地点,激活剂将按照规则间隔排列形成圆点、条纹或其他图案。

      天才?数学家图灵的理论,却也解释了生物进化!

      澳大利亚科廷大学发育生物学家凯瑟琳·博伊斯维尔(Catherine Boisvert)解释说:激活抑制系统是强大的发育基序。如果想要建立一个完整结构,例如羽毛或小齿,排列就不能过度拥挤;如果没有间隔,就永远得不到一个不同的实体。图灵模型让发展生物学家兴奋不已,尽管它很简单,但它可以解释很多不同的模式。然而在实践中,自然界模式的实例很少被证明明确地按照类似图灵的机制运行。列举两个实例:老鼠毛囊位置和小鸡羽毛位置。在一只正在发育的雏鸟身上,原始羽毛依次长出,在雏鸟背上形成一条直线。最先生长的那一行刺激了其他平行的产生,这些平行沿着胚胎的两侧层叠而下,直到胚胎被覆盖。

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      鲨鱼幼仔牙齿的特写图,左图展示了牙齿如何像鳞片一样保护身体。对幼鲨头部牙齿的扫描显示了图灵的排列方式。图片:Rory Cooper (left); rendered by Rory Cooper, scanned by Kyle Martin and Amin Garbout at The Imaging and Analysis Centre, Natural History Museum, London

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      研究人员知道起激活和抑制作用的分子,证实了这一过程类似图灵模式。弗雷泽实验室(Fraser lab)的研究生罗里库珀(Rory Cooper)认为:鲨鱼的牙齿似乎也在发育。然而鲨鱼,以及它们的近亲——鳐鱼,在4.5亿年前从脊椎动物中分离出来。它们栖息在生命之树上一个非常有趣的地方。鲨鱼为早期脊椎动物的发展提供了一个视角。在哺乳动物长出毛发和鸟类长出羽毛的数亿年前,鲨鱼“鳞片”就像盔甲一样覆盖着它们的皮肤。(它们是现存最古老的脊椎动物,有各种皮肤附属物)鲨鱼牙齿的图案、形态和功能多种多样:密集重叠的牙齿为一些鲨鱼提供了额外的保护,稀疏和光滑的部分则减少了鲨鱼的拖曳力。

      天才?数学家图灵的理论,却也解释了生物进化!

      在一些鲨鱼物种中,牙齿甚至含有有助于交流的发光细菌。然而,尽管有一些细微差异,但牙齿、头发和羽毛之间发育模式的相似性不可否认。为了证明鲨鱼的齿状图案,理论上可以由图灵机制产生,弗雷泽的同事们建立了激活剂和抑制剂相互作用的数学模型。研究人员对两种形态因子的扩散、产生和降解速率进行了修改,直到该模型产生了与鲨鱼皮肤发育相匹配的模式。这个模型告诉我们,从理论上讲,类似图灵的机制可以解释鲨鱼齿状图案模式形成。我们不知道小齿发育的分子基础,是否与羽毛的分子基础一样。然而,考虑到发育的相似性,小鸡的基因是一个很好的起点。当库珀使用原位杂交技术,发现同样的基因在小鸡和鲨鱼模式形成过程中会发光。

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      鲨鱼胚胎上牙齿的排列(左)与研究人员的数学图灵模型所产生的模式非常相似。图片:doi: 10.1126/sciadv.aau5484

      这些基因不仅在牙齿萌发的时候表达,实际上它们还在相同的组织层中表达,这是一种很强的保护作用。在相似过程中展示出相似的基因表达是很好的第一步,但在发育生物学中证明的黄金标准是一个简单的实验:如果减少或消除一个基因表达,然后这个模式就消失,那么这个基因必须在模式产生中扮演重要角色。为了做到这一点,库珀加入了一种抑制小鸡羽毛激活剂的化学物质。然后原始牙齿一起植入鲨鱼胚胎中,观察鲨鱼的成长。结果很明显,这些为了抑制鸟类体内激活基因表达而设计,它们可以跨越数亿年的进化过程,在鲨鱼体内产生同样的效果。库珀发现激活因子基因的表达直线下降,形成了一个扁平的“死区”,没有牙齿。这些操纵结果有力地证明这种机制的高度保守。

      天才?数学家图灵的理论,却也解释了生物进化!

      为了测试类似图灵机制是否能在其他鲨鱼和它们的同类中产生广泛的齿状结构,研究人员调整了模型中激活剂和抑制剂的产生、降解和扩散速率。发现,相对简单的变化可以产生与该谱系中所见多样性相匹配的模式。例如,鳐鱼的齿形往往比较稀疏,通过增加抑制剂的扩散速率或降低抑制剂的降解速率,研究人员可以得到更稀疏的图案。一旦初始模式设置好,其他非图灵机制就完成了这些行到完全成形的齿、羽毛或其他上皮附属物的转换。布瓦弗特解释说:这些高度保守的主调控机制,在附属物发育的早期就发挥作用,但在下游,物种特有的机制会完善这种结构。

      天才?数学家图灵的理论,却也解释了生物进化!

      尽管如此,在分子生物学知之甚少的时代,一位没有受过生物学训练的数学家将如此多不同生物学模式背后的机制理论化,这是多么了不起的一件事情。图灵机制理论上不是构建模式的唯一方法,但大自然似乎更倾向于它。弗雷泽认为,如此多分布广泛的生物群体对这一机制的依赖表明,某种约束可能在起作用:可能没有太多方法可以模仿一些东西。一旦像图灵机一样简单和强大的系统出现,自然就会顺势而为,不可逆转。总的来说,生物多样性是建立在一套相当有限的理论基础上,这些理论似乎有效,而且在进化过程中反复被使用。大自然,以其旺盛的创造力,可能比我们想象的更为保守。

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      博科园-科学科普|参考期刊文献:《Science Advances》

      文:Jonathan Lambert/Quanta magazine/Quanta Newsletter

      DOI:10.1126/sciadv.aau5484

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