在生长的生物体中发现的与海洋循环和量子流体相似的波浪模式

洋流

洋流。图片来源:美国宇航局/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室

生物体的生长乘坐波浪模式

研究表明,新受精卵上的涟漪与其他系统类似,从海洋和大气环流到量子流体。

当几乎任何性复制物种的卵细胞受精时,它会落后一系列波浪在鸡蛋表面上纹波。这些波是通过数十亿活化的蛋白质产生的,这些蛋白质通过蛋膜浪涌,如微型洞穴哨兵的溪流,表示蛋再次开始分割,折叠和划分,形成有机体的第一个细胞种子。

现在麻省理工学院科学家们仔细观察了海星卵表面产生的这些波浪的图案。这些海星的卵很大,因此很容易观察,科学家们认为海星的卵是许多其他动物的卵的代表。

新受精卵上的涟漪

麻省理工学院研究人员观察到一个与其他系统相似的新施肥卵,从海洋和大气循环到量子液。信贷:由研究人员提供

在每块蛋中,该团队介绍了一种蛋白质来模仿施肥的发作,并记录在响应横跨其表面上的波浪模式。他们观察到每个波在螺旋模式中出现,并且多个螺旋一次在鸡蛋表面上旋转。有些螺旋自发地出现并在相反的方向上旋转,而其他螺旋旋转,而其他螺旋碰撞并立即消失。

研究人员实现的这些旋转波的行为类似于在其他看似无关的系统中产生的波,例如量子流体中的涡流,大气和海洋中的循环,以及通过心脏传播的电信号脑。

麻省理工学院(MIT)托马斯·d·维吉尼亚·w·卡伯特(Thomas D. and Virginia W. Cabot)助理教授、物理学家尼克塔·法赫里(Nikta Fakhri)说:“我们对鸡蛋中这些表面波的动力学知之甚少,在我们开始分析和模拟这些波后,我们发现这些相同的模式也出现在所有其他系统中。”“这是一种非常普遍的波动模式的表现。”

“它打开了一个全新的视角,”Jörn Dunkel,麻省理工学院数学副教授补充道。“你可以借鉴人们发展出来的很多技术,来研究其他系统中的类似模式,学习一些生物学知识。”yabo124

Fakhri和Dunkel今天在Nature物理学期刊上发表了他们的结果。他们的共同作者是乒乓柱刘,刘秀,Pearson Miller和Melis Tekant的麻省理工学院。

找到一个人的中心

以前的研究表明,鸡蛋的施肥立即激活rho-gtp,蛋内的蛋白质,该蛋通常在细胞的细胞质中以无活性状态漂浮。一旦被激活,数十亿蛋白质升起了细胞质的摩尔斯,以连接到鸡蛋的膜上,沿着波浪中的墙壁猛击。

“想象一下,如果你有一个非常脏的鱼缸,一旦有一条鱼游到玻璃附近,你就能看到它,”邓克尔解释说。“以类似的方式,蛋白质在细胞内部的某个地方,当它们被激活时,它们会附着在细胞膜上,你开始看到它们移动。”

法赫里说,穿过细胞膜的蛋白质波在一定程度上是为了组织细胞核心周围的细胞分裂。

“卵子是一个巨大的细胞,这些蛋白质必须一起工作,找到它的中心,这样细胞就知道在哪里分裂和折叠,多次,形成一个有机体,”Fakhri说。“没有这些蛋白质的波动,就不会有细胞分裂。”

在他们的研究中,团队专注于rho-gtp的活跃形式,当它们改变蛋白质的浓度时,鸡蛋表面产生的波浪模式。

在他们的实验中,他们通过微创外科手术从海星的卵巢中获取了大约10个卵子。他们引入了一种激素来刺激成熟,还注射了荧光标记物,以附着在任何反应中出现的活性Rho-GTP上。然后,他们通过共聚焦显微镜观察每个鸡蛋,并观察到数十亿的蛋白质在不同浓度的人工荷尔蒙蛋白的作用下活化并在鸡蛋表面产生涟漪。

“通过这种方式,我们创造了不同图案的万花筒,并观察它们产生的动态,”Fakhri说。

飓风追踪

研究人员首先组装了每个鸡蛋的黑白视频,显示出在其表面上行驶的明亮波浪。波浪中的区域更亮,该特定区域中的RHO-GTP的浓度越高。对于每个视频,它们将来自像素的亮度或蛋白质的浓度与像素进行比较,并使用这些比较来生成相同波形图案的动画。

从他们的视频中,研究小组观察到海浪似乎以微小的飓风状螺旋状向外振荡。研究人员将每个波的起源追溯到每个螺旋的核心,他们称之为“拓扑缺陷”。出于好奇,他们自己跟踪这些缺陷的运动。他们做了一些统计分析,以确定某些缺陷在鸡蛋表面移动的速度,以及螺旋出现、碰撞和消失的频率和形态。

在一个令人惊讶的扭曲中,他们发现它们的统计结果和鸡蛋表面中的波浪的行为与其他更大且看似无关的系统中的波浪的行为相同。

“当你看看这些缺陷的统计数据时,它基本上与流体中的涡流或大脑中的波浪或更大规模的系统相同,”Dunkel说。“这是相同的普遍现象,只是缩小到细胞的水平。”

研究人员对波浪的相似性特别感兴趣量子计算。正如卵子传送特定信号中的波的模式,在这种细胞分裂的情况下,量子计算是旨在以精确的模式操纵流体中的原子的领域,以便翻译信息并执行计算。

“也许现在我们可以从量子液中借用思想,从生物细胞中建造小型计算机,”Fakhri说。“我们期待一些差异,但我们将尝试探索[生物信号波]作为计算的工具。”

这项研究得到了詹姆斯·s·麦克唐奈基金会、阿尔弗雷德·p·斯隆基金会和国家科学基金会的部分支持。

是第一个评论“在生长的生物中发现的波浪模式类似于海洋循环和量子液”

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