图灵斑图最新发现:鲨鱼鳞片和雏鸟羽毛的形成竟然有相似之处!-集智俱乐部

一条幼鲨的头部盾鳞呈现出图灵斑图(Turing pattern)的排列模式 | Rory Cooper 扫描

导语

数学家艾伦·图灵(Alan Turing)曾经提出一个理论:所有脊椎动物都有一个原始发育包,它设定了各种皮肤结构的生长斑图(pattern)。毛发、羽毛、甚至你嘴角的皱纹都源于类图灵机制(Turing-like mechanism)。

Science 的一项最新研究表明:鲨鱼的盾鳞也源于类图灵机制。生物进化是完全创新,还是修修补补?或许,自然界要比我们想象的更加保守。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:Quanta Magazine

原题:Ancient Turing Pattern Builds Feathers, Hair — and Now, Shark Skin

图灵斑图是什么

1952年,发展生物学家尚未发现 DNA 的结构,通过破译恩尼格玛密码加快结束二战的著名数学家艾伦·图灵(Alan Turing)就已提出斑图形成(patterning)的数学模型:两个化学物质或“形态发生素”(“morphogens”)的相互作用,可以涌现无穷的条纹、斑点和鳞片。

图灵模型,也叫“反应-扩散机制”(reaction-diffusion mechanism),这个简单美妙的模型只需要两个相互作用的化学物质,墨溶于水般在组织间扩散。其中一种充当催化剂,启动某些过程,并且促进自我繁殖,不断形成斑图;另一种充当抑制剂,阻止催化剂的作用。抑制剂扩散速度更快,因此可以防止催化反应过度蔓延。

最终形成的图案取决于释放两种化学物质的时间和地点,催化反应促使它们形成了规则的斑点、条纹,或者其他图案。

数十年后,生物学家才开始严肃思考这个数学理论的现实意义,用图灵机制解释各种生物斑图。哺乳动物的毛发、鸟的羽毛、甚至你嘴角的皱纹都源于类图灵机制(Turing-like mechanism)。

类图灵机制(Turing-like mechanism):表皮附着物的斑图形成除了受图灵机制控制,皮肤组织的机械感受等其他因素可能也会产生影响,故称之为类图灵机制。

现在,覆盖鲨鱼表皮上的齿状突起,也加入了这个行列。来自美国佛罗里达大学 Fraser 实验室的研究者最近发现:鲨鱼盾鳞(denticles)受类图灵机制控制,涉及的基因也控制羽毛斑图的形成

论文标题:An ancient Turing-like patterning mechanism regulates skin denticle development in sharks

论文地址:

http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau5484

图灵斑图最新发现:鲨鱼鳞片和雏鸟羽毛的形成竟然有相似之处!-集智俱乐部覆盖在鲨鱼表皮的盾鳞好像“甲胄”一样保护着鲨鱼幼崽的身体 | 摄影:Rory Cooper

领导该研究的是生物系助理教授 Gareth Fraser,他认为,不同的脊椎动物有着同样的表皮斑图的形成机制,这说明,该机制可能来来自第一批脊椎动物,在漫长的进化旅程中保留下来。

哈佛大学发展生物学家 Alexander Schier 指出,从鲨鱼盾鳞到鸟的羽毛,斑图的形成机制非常保守。大自然倾向于在现有发明基础上修修补补。

如何解释自然界的斑图

Schier 指出,图灵模型让发展生物学家很兴奋,这个简单理论可以解释各种斑图形成。然而,自然界的斑图形成极少被证实是由类图灵机制决定的。

类图灵机制的两个例子是小鼠毛囊和雏鸟羽毛。在雏鸟的生长发育过程中,依次长出原始羽毛,在背上形成一条直线。最初的这行羽毛刺激了平行羽毛的生成,沿着胚胎的两侧,直到覆盖全身。更关键的是,研究者已经发现充当催化剂和抑制剂的分子,这足以证明雏鸟长出羽毛的过程是类图灵的。

Fraser 实验室的研究生 Rory Cooper 认为鲨鱼盾鳞和雏鸟羽毛的生长过程很像。然而,早在4.5亿年前,鲨鱼和它的表亲鳐鱼就与其他脊椎动物分道扬镳了。

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这是一只染色的猫鲨幼崽,盾鳞从靠近背鳍的两排平行纹路开始,随后循着类图灵机制(Turing-like mechanism)扩散到身体的其他部位 | 摄影:英国谢菲尔德大学的Alexandre Thiery

Cooper 认为,通过鲨鱼,可以间接研究早期脊椎动物的发展。鲨鱼在生命树上位置很有趣,它们是现存最古老的有表皮附着物的脊椎动物。在哺乳动物长出毛发、鸟儿披上羽毛的数亿年前,鲨鱼已经有“甲胄”护身了。

盾鳞的斑图、形状和功能各不相同:重重叠叠的盾鳞给鲨鱼披上“盔甲”,稀疏光滑的盾鳞减小了水中的阻力,让鲨鱼更加敏捷。在某些鲨鱼种群中,盾鳞甚至可以容纳帮助沟通的发光细菌。

虽然存在一些微小的差异,盾鳞、毛发和羽毛的斑图形成的相似性毋庸置疑。

图灵斑图的新成员:鲨鱼盾鳞

鲨鱼盾鳞的斑图形成可以用类图灵机制解释吗?

为了证明这点,Fraser 的同事建立了催化剂和抑制剂的相互作用的数学模型。他们不断修改两个形态生成素的扩散率、生长率和衰减率,直到模型生成的斑图反映了鲨鱼盾鳞的演变过程。Cooper 表示:“模型告诉我们,理论上,类图灵机制可以解释鲨鱼盾鳞的斑图形成。”

图灵斑图最新发现:鲨鱼鳞片和雏鸟羽毛的形成竟然有相似之处!-集智俱乐部 论文图1H-M:鲨鱼盾鳞的实际斑图 vs 图灵模型生成的斑图,从第一列到第三列按时间顺序排列。DD为背侧盾鳞,BD为身体盾鳞。

我们不知道盾鳞形成的分子基础,就像我们不知道羽毛的分子基础。当 Cooper 使用原位杂交(in situ hybridization)技术检测二者斑图形成过程中的基因表达时,同一基因发光了——这足以表明:相似的斑图形成过程基于相似的基因表达

这是个好的开始,但是,图灵斑图能不能通过发展生物学的黄金标准?如果减少或削弱该基因的表达,斑图随之消失,那么这个基因一定在斑图形成中起关键作用。

为了做到这点,Cooper 在小玻璃珠中放入了抑制雏鸟羽毛催化物的化学物质,然后将珠粒放在鲨鱼胚胎的原始盾鳞旁,开始观察鲨鱼的成长。

结果很明显,鸟类羽毛斑图的抑制剂,跨越了数亿年的进化差异,在鲨鱼身上同样奏效了。Cooper 发现,在珠粒旁,催化物的基因表达急剧减少,形成了一个没有盾鳞的“秃地”。

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论文图4Q-R:珠粒抑制实验揭示了图灵模型所涉及基因的功能保守性。图中红色星号为抑制剂珠粒位置,黑色星号为参照组。

为了检验类图灵机制在其他种类鲨鱼的表皮上是否也能创造大范围的盾鳞斑图,研究者调整了模型中催化物和抑制物的生长率、衰减率和扩散率。他们发现,简单的条件改变可以产生多种斑图。比如,鳐鱼的盾鳞通常更加稀疏,无论是增加抑制物的扩散率,还是降低抑制物的衰减率,研究者都能得到稀疏的斑图。

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论文图5:改变模型参数值可以解释盾鳞斑图的多样性。

大自然比我们想的更保守

一旦初始斑图形成,其他非图灵机制就会将其转化为完全形态的盾鳞、羽毛或者其他表皮附着物。

图灵机制不是斑图构建的唯一理论,但是自然似乎对它格外青睐。Fraser 表示,图灵机制的广泛应用,其中可能存在着某种制约:一旦形成一个系统,特别是像图灵机制这样简单有效的系统,自然就会选择它,不再考虑其他。

Fraser 指出:“生物多样性基于一组相当有限的公理集,在演化过程中不断被重复利用。”自然界的森罗万象下,可能比我们想的更加保守。

翻译:Elena

编辑:杨清怡

原文地址:

https://www.quantamagazine.org/ancient-turing-pattern-builds-feathers-hair-and-now-shark-skin-20190102

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