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【科學講堂】胚胎改變形態 密度影響發展

2021-04-28

大家應該早已聽說過,卵子是一個相對簡單的細胞;在受精以後,它才開始分裂出更多的細胞,從而慢慢塑造出動物複雜的形態、外貌。不過,最初的受精卵只是一個簡單的球體,無分上下左右前後,那麼它們又是如何發展成各種複雜的形態呢?外來的力量又是如何影響胚胎的發展?今天就和大家分享一下這個課題。

停止細胞分裂 眼部六神無主

比如說,胚胎是如何慢慢分辨出頭部和尾巴的?為了研究這個課題,生物物理學家Otger Campjs將帶磁性的納米粒子注射進斑馬魚的胚胎之中,再利用磁場改變這些粒子的形狀,從而量度斑馬魚細胞面對外力時的反應。他的研究團隊發現,胚胎成長中的尾巴部分,有點兒像大家所說的「流體」狀態:細胞之間的結構相對鬆散,可以自由移動,細胞組織亦好像空氣和水一樣,很容易就可以改變它們的形狀;愈遠離尾巴,細胞組織就愈剛硬。

這種「鬆散、剛硬」的轉變,並不是因為細胞與細胞之間有什麼額外的物料。在更詳細的察看之下,尾端鬆散的細胞之間原來有更多的空間,而在較剛硬的部分,細胞之間的空間則較少。這其實就好比密度不同的咖啡豆:一個袋子之中假如只有小量咖啡豆,那些咖啡豆自然可以自由流動;但是當填滿咖啡豆之後,這個袋子卻可以變成無比堅硬。

這種「硬度」的不同,並不只是存在於斑馬魚的尾巴之中。爪蟾(xenopus)是在非洲撒哈拉沙漠以南棲息的水生青蛙,而胚胎在發展視覺的時候,眼部的神經自然得與腦部連接上。物理生物學家Kristian Franze就發現,爪蟾胚胎眼部神經與腦部連接的路徑,正好就是腦部組織較鬆散的部分。

至於腦部的組織鬆散與否,也是由細胞的密度決定:當Franze的研究團隊利用其他方法停止了胚胎的細胞分裂,以致細胞的數量不能隨便改變之後,腦部組織之中的硬度也因此變得均勻,不再有哪裡特別鬆軟;與此同時,眼部神經也變得「六神無主」,不能成功連接到腦部之中了。

拉扯加速分裂 解釋癌症好壞

能夠因應外來的影響而產生更多的細胞,是一個對生命很有用的能力。比方說在動物成長的當兒,皮膚也要懂得相應地增長。幹細胞生物學家Mariaceleste Aragona就在實驗中發現,當老鼠的皮膚受到拉扯的刺激,皮下的某類幹細胞就會因而加速分裂,以求能夠提供更多的細胞去長出更多的皮膚。

對皮膚是如何增長有更多的理解,其實也幫助我們了解為什麼有些皮膚癌是良性的,而另一些卻又是惡性的。

研究發現,皮膚幹細胞可以發展成兩種腫瘤:一種在增長的時候,同時也會令皮膚的底層加厚,因此這種腫瘤大多留在皮膚之中,屬於良性。

相反,另一種卻會令皮膚的底層變薄,同時腫瘤的表面也較堅硬,所以這種腫瘤容易穿破皮膚進入身體,帶來惡性的影響。

對於基因如何影響生命,近年我們有了不少的理解。不過對於細胞成長的細節,我們也需要了解更多,尤其是基因如何影響細胞的成長,更值得我們多加研究呢。●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目,一直致力推動科學教育與科普工作,近年開始關注電腦發展對社會的影響。

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