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鱼身上的条纹是如何形成的

2015-11-29 浏览: 416 评论:0

摘要: 你有没有想过,斑马鱼那有规律的条纹是怎么来的呢?最近,布朗大学的研究人员们建立了一个数学模型,它可以揭示斑马鱼标志性条纹的形成过程,让我们了解色素细胞是如何穿过皮肤、又如何随着斑马鱼的生长而更替。将这两者相结合,就可以保持斑马鱼的条纹线啦~如果想了解更多的话...

身上有条纹的鱼

你有没有想过,斑马鱼那有规律的条纹是怎么来的呢?最近,布朗大学的研究人员们建立了一个数学模型,它可以揭示斑马鱼标志性条纹的形成过程,让我们了解色素细胞是如何穿过皮肤、又如何随着斑马鱼的生长而更替。将这两者相结合,就可以保持斑马鱼的条纹线啦~如果想了解更多的话,在《英国皇家学会杂志》上有关于该模型的相关描述。

斑马鱼条纹的形成过程

斑马鱼条纹的形成过程

在过去的几十年里,斑马鱼已经成为非常受生物学研究者们欢迎的生物体了。小淡水鱼可以在短短几个月内从一个透明的胚胎成长为足尺的小家伙,这让科学家们有机会详细观察他们的成长。它们还有着带有深蓝色和亮黄色条纹的同名鱼,这些小伙伴的出现成为了许多研究的主题,而且这些条纹已被证明是黑色素细胞、黄色素细胞和银色闪光细胞三种色素细胞之间相互作用的结果。

布朗大学应用数学系研究生和新论文的主要作者亚历山大维克宁说:

这种条纹图案的形成会随着鱼的生长而动态变化。斑马鱼图案的形成,是随着时间的推移、细胞间的相互作用而产生的,不像某些色素细胞,只能单纯地填充某种已经存在的未定型图案。

他想要建立一个基于现代生物学的模型来模拟这个动态过程,这样斑马鱼的条纹再也不是秘密了,想想都有些小激动有木有!

学霸维克宁建立的这个模型是将细胞看成一个个体,然后根据实验得出的一套规则模拟条纹图案形成的动态过程。它恰好包含黑色素细胞和黄色素细胞这两类细胞,而第三种细胞——虹细胞,虽然不在模型之中,但它对其他两类细胞行为的影响也是毋庸置疑的。

一开始,黑色素细胞和黄色素细胞模拟几周大的鱼体内细胞的排列方式,随之模型域以接近于鱼的成长方式生长。随着模型域的增长,新增的细胞模拟干细胞 (也就是那些鱼“颜料”的生产基地)从现有的色素细胞中获取细胞的类型,当然,这些信号来自于附近以及远处的细胞。活体鱼的实验表明,长短距离的通信都很重要的。在这个模型中,我们发现,如果一个新的干细胞被黑细胞包围,而其相邻的条纹区域是黄色,那么它更可能成为一个暗细胞,正所谓“近朱者赤近墨者黑”嘛!黄色细胞也同样如此,死亡是由相似的机制控制的,如果一个黑细胞四面是亮细胞、或者周围没有足够的黄色细胞,那么它死亡的概率会更高。没了伴侣,难不成孤独终老?

实验表明,色素细胞能够在鱼的皮肤表面短距离移动,因为模型能捕捉到同样的动态,所以可认为色素是因接收到周围细胞传递的信号而移动的。在模型中,所有的细胞相互排斥,但异型细胞比同型细胞有更强的排斥作用,有排斥就有运动啦,不然还赖着不走?而这些运动信号是怎么来的呢?它们来自于色素细胞周围的细胞。

如果我们对处于正常生长期的活体鱼应用这些规则,那么模型就可能会成功地重现在实验中看到的条纹形成的过程,甚至再现生物学家做的各种关于干扰条纹形成的实验成果,好厉害有木有!之前就有科学家们通过在鱼成长早期除去色素细胞以观察去色素细胞对鱼生长的影响,然而实验表明,当这些细胞被除去后,鱼继续成长形成的是椭圆形一团一团的斑点,而不是一道一道的条纹!当然这个模型也是可以重现这些影响的。

只要他们有了可以重现实际实验的模型,研究人员就可以测试不同的细胞动力学是如何影响条纹的形成啦。

“关于出生和死亡对这种细胞运动的作用,我们暂不清楚。你想知道哪个作用呢??”布朗大学应用数学系主席,以及这篇论文的合著者比约恩桑德斯坦德说,“在模型中,我们可以做的是把两者之一关闭,然后看看我们得到的结果(但在现实情况下就不一定可以咯)。”

鱼身上的条纹是如何形成的模拟模型

该模型表明,随着色素细胞停止运动,细胞形成的椭圆形斑点就不再有特定的方向。而随着色素细胞停止新陈代谢,细胞会形成紧密堆积的斑点,而不再是有序的条纹。综合看来,在条纹图案形成过程中,色素细胞运动与起细胞活动性相互依存的动态就很显而易见啦。

桑德斯坦德认为,像这样的模拟很重要,毕竟,它给我们提供了一个研究自然界的窗口啊,有了它,我们才能知道这些复杂图案和结构是怎么形成的。我们看到的任何一种生物,一开始都只是卵母细胞——起始于狭小空间分化的圆形结构,最后却像我们一样有着复杂的空间结构,是不是很神奇?难道你就不想要一探究竟吗?他说:“我认为,尝试理解空间分化的过程是很重要的,斑马鱼和它们的条纹就是一个很好的模型,因为这样你就可以根据现有的了解识别不同的细胞和在过程中他们正在做的事。”

维克宁还说,她计划继续改善模型,以便更好地捕捉不直接包含在当前模型虹细胞对其他细胞的影响,也希望模型可以作为未来活体鱼实验的指导。毕竟模型的好处之一就是可以在六分钟内做这件事,要知道在实际情况中可是需要数周来养殖鱼的啊,瞬间感觉方便了好多有木有!

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