科学家揭开人类手指脚趾形成之谜

最近，西班牙加泰罗尼亚高等研究院（ICREA）和庞培法布拉大学（UPF）的科学家们联手进行了一项研究，这项研究验证了阿兰·图灵在数学生物学领域的卓越贡献。他们通过实验证明，手指和脚趾的形成竟然也遵循着图灵多年前提出的生物花纹形成机制。

这位被誉为“计算机科学之父”的英国数学家，在1952年发表了一篇关于自然界花纹如何形成的论文，这一论文开创了全新的数学领域。在这篇论文中，图灵提出了一个由两种分子构成的系统，当这些分子以特定的方式扩散并发生反应时，就会形成斑点或条纹。他的理论数学模型揭示了在一定的初始条件下，比如一个原本均匀无花纹的环境里，分子会自发地组成一种有规律的空间花纹。尽管这一理论最初主要用于解释简单的自然花纹，如斑马条纹和沙丘波纹，但它对于解释胚胎发育中的复杂结构仍有局限，尤其是像手指这样的结构。

这项新的研究由ICREA的詹姆斯·夏普教授主导，并得到了UPF基因组调控中心多细胞系统生物学实验室的数据支持。夏普指出，这项研究是对他们在2012年在《科学》杂志上发表的一篇论文的延伸。在那篇论文中，他们提出了Hox基因和FGF信号能够调节一个假设的图灵系统，但当时尚未发现图灵所说的分子。而现在，他们终于找到了在图灵系统中发挥关键作用的信号分子。

据物理学家组织网7月31日报道，科学家们采用了系统生物学方法，结合了实验结果和反复调整的计算机模型进行研究。经过筛选多种不同的基因表达，他们最终发现了两个具有特定活动模式的信号路径：BMPs和WNTs。这两个信号路径通过一种名为Sox9的转录因子相互连接。随着研究的深入，他们成功构建了一个兼容所有数据的数学模型，该模型能够预测当抑制这两个信号路径时，手指形状将如何改变。他们在培养的胚芽组织上进行的实验证明了这一预测的准确性。

这项研究的意义远不止于理解手指的发育过程。它更深入地探讨了身体中的细胞如何自行运动排列，最终形成各种复杂的三维结构，如肾脏、心脏和其他器官。该研究还挑战了目前的主流观点——“位置信息”论。新研究强调，在器官形成过程中，局部自组织机制或许比人们以往认为的要重要得多。