科技日報訊 最近，西班牙加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）和龐培法布拉大學（UPF）科學家合作，通過實驗證明了手指和腳趾的形成也受圖靈60多年前提出的生物花紋形成機制的控制。

　　“電腦科學之父”、英國數學家阿蘭·圖靈對數學生物學的貢獻同樣重大，他于1952年發表了一篇關於自然界花紋是怎樣形成的論文，開創了一個全新的數學領域。論文中提出了一個由兩種分子構成的系統，如果分子以恰當方式擴散反應，就會産生斑點或條紋。

　　他的數學方程顯示，在統一的初始條件下，比如均勻分佈沒有花紋，分子濃度會自發地組織成一種重復性空間花紋。這一理論逐漸被人們接受，並用來解釋一些簡單花紋，如斑馬條紋、沙丘波紋，但用在胚胎發育中還不太合適，還不能解釋一些結構比如手指是怎麼形成的。

　　新研究由ICREA教授詹姆斯·夏普負責，UPF基因組調控中心多細胞系統生物學實驗室提供數據。夏普説，本研究是對他們2012年《科學》雜誌上一篇論文的補充，當時他們提出Hox基因和FGF信號能調節一個假設的圖靈系統，但圖靈所説的分子本身還未發現。而新研究揭示了在圖靈系統發揮作用的信號分子。

　　據物理學家組織網7月31日報道，研究人員利用系統生物學方法，結合實驗結果和電腦模型反覆調整。他們篩選了多種不同的基因表達，最終發現了兩個信號路徑具有所需的活動模式：BMPs和WNTs，而且這兩個信號路徑通過一種非擴散性分子——轉錄因子Sox9連接。隨後他們逐漸構建了相容所有數據的數學模型，並能用模型預測抑制兩條路徑的結果：抑制其中之一或同時抑制，會讓手指形狀發生怎樣的改變。他們用培養的胚芽組織進行實驗，胚胎上也會出現同樣的手指形狀，證明了他們的計算預測。

　　本研究的影響遠遠超過理解手指發育，回答了更廣泛的爭論：身體中數百萬的細胞是怎麼自行運動排列，最終形成恰當的三維結構——腎臟、心臟及其他器官的？它還挑戰了目前的主流觀點，劉易斯·沃爾伯特提出的“位置資訊”論，該理論認為細胞知道自己要幹什麼，因為它們都接受了自己的空間“配合”資訊（類似于地圖上的經度和緯度）。新研究論文中強調，在器官形成中，局部自組織機制或許比人們以往認為的更重要得多。

　　研究人員指出，要想開發出有效的再生醫學策略，必須正確理解多細胞器官，才可能為各個器官設計出替代組織。這些發現也解釋了為何多指（趾）畸形是人類中一種普遍的先天缺陷，在數學上，圖靈系統調節“條紋”數量的模型比其他模型的精確性略低。

　　（常麗君）

　　左圖 手指也可以作為一種花紋，就像許多動物身上的條紋和斑點一樣能用圖靈模型來預測。