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举个栗子:心脏怎么长到左边去的?

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举个栗子:心脏怎么长到左边去的?

科学家们还没有完全搞清楚这件事,他们正在研究这个问题,目前已经确切地找出了胚胎器官开始左右不对称发育的几个阶段。他们的研究除了可以弄清这其中的机理,也有着很重要的实际意义。

人类胚胎发育前期都是左右对称的,直到第六周的时候,未来将会发育成心脏的那根管子才开始向左弯曲,然后胃和肝脏分别向身体中轴线的两侧漂移,大肠则在右侧长出一个阑尾,再后来肺部也分出了左右,右肺长出三个肺叶,左肺只长出两个。但是,肾脏和女性卵巢等少数器官却没有区别,依然左右对称。

如果一个胚胎内的细胞分不清左右,只能随机地选择身份的话,那么我们人类将有一半心脏在左,另一半心脏在右。事实显然不是这样,这说明胚胎细胞以某种、方式判断出了自己所在的位置。

那生命是如何找到一个合适的参照系的呢?化学家们发现,自然界存在一类“手性分子”,它们完全可以为左右之分提供一个初始参照系。氨基酸是生命最基本的结构单位,已知地球上的所有生命使用的氨基酸都是左手性的,很可能就是这些氨基酸提供了最初的参照系。事实上,人类胚胎发育过程中的左右之分正是通过旋转的方式确立的。

研究发现,在人类胚胎发育到第六周之前,虽然看上去仍然是左右对称的,但实际上胚胎左右两边的分子构成已经出现了差异,而这种差异是由一个名为“节点”的小装置实现的,它就像一个小坑,位于胚胎的中轴线上。坑内有几百个微小的纤毛,以每秒大约10圈的速度顺时针转动。这个小坑并不是垂直向上的,而是向胚胎的尾部倾斜。于是,随着纤毛的转动,胚胎细胞周围的液体便开始从右向左流动,导致左右两侧出现了差异。事实上,日本科学家去年在《自然》杂志上发表过一篇论文,发现只需要两根纤毛的转动就足以导致胚胎左右不对称了。

要开始一个胚胎的正常发育所需要的只是一个非常微弱的向左的流动,胚胎外的液体一流起来,只需三至四个小时就可以完成对于左右的划分。至于其间具体的变化步骤,科学家们也只是有一个粗略的了解。在第一步中,液体流经节点、一直流到其左侧的边缘。边缘上环绕着不旋转的纤毛。它们通过某种方式对液流做出反应,可能直接弯曲,也可能由液流传递某些蛋白质。

节点边缘上的纤毛对液流做出了反应,这些细胞会因此释放出一种叫做Nodal的蛋白质。这种蛋白质会在胚胎的左侧扩散开来,并促使其它细胞也释放自己的Nodal蛋白质,从而使整个胚胎的左侧通过这种机制充满了Nodal蛋白质,而右侧则几乎没有。

科学家们如今仍在研究着Nodal蛋白质是如何决定人体生理结构的。近年来,许多研究者们使用胚胎透明的斑马鱼取代了老鼠作为实验对象,斑马鱼胚胎中的细胞可由基因工程改造为会发光的,从而使器官的形成得以被观测到。

这项研究一直在继续,研究不对称发育的机理除了理论上的意义外,在临床上也有价值。我们都听说过“反转人”,他们体内的脏器位置和正常人正相反。如果全部脏器都反转了倒也没有问题,可不少人发生了不完全反转,也就是心脏和其他脏器的步调不一致。一旦出现这种情况,病人很可能有生命危险,必须提早预防。

(答案整理自果壳网、科学公园)


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