艾伦·图灵是如何破译鲨鱼皮的

我1952年，早在发育生物学家谈论HOX基因和转录因子，甚至理解DNA结构之前，艾伦·图灵就有了一个想法。这位著名数学家通过破解“谜”密码加速了第二次世界大战的结束，他将注意力转向了自然世界，并设计了一个优雅的模式形成数学模型。他的理论概述了两种简单的、假设的化学试剂或“形态原”的相互作用如何产生无穷无尽的条纹、斑点和鳞片

几十年过去了，生物学家才认真考虑这个数学理论解释无数的生物模式. 哺乳动物的毛发、鸟类的羽毛，甚至你口腔顶部的隆起物的发育都源自图灵机制。

大自然往往只发明一次东西，然后就在这个主题上进行变化。

现在，覆盖在鲨鱼皮肤上的齿状突起可以被添加到列表中。佛罗里达大学的研究人员最近发现鲨鱼的牙齿是由一个图灵式的机制建立由负责羽毛图案形成的相同基因控制。领导这项研究的研究员加雷思·弗雷泽（Gareth Fraser）表示，这项研究表明，不同脊椎动物的发育胚胎以同样的方式确定了其组织外层的特征模式——这种模式机制“很可能是随着最早的脊椎动物进化而来的，此后几乎没有什么变化。”

哈佛大学发展生物学家亚历山大·席尔（Alexander Schier）没有参与这项研究，他说：“这项工作的美妙之处在于，它表明，从鲨鱼牙齿到鸟类羽毛，任何东西的形成机制都可能有很强的保存性。”。Schier说，这项研究支持了发育生物学中一个日益增长的主题，即“大自然倾向于发明一件东西，然后在这个主题上进行变异。”。

图灵的模型，称为反应扩散机制，非常简单。它只需要两种相互作用的物质，一种是激活剂，一种是抑制剂，它们像滴在水中的墨水一样通过组织扩散。活化剂启动某些过程，如斑点的形成，并促进自身的生产。抑制剂停止这两种作用。关键的是，抑制剂比激活剂在组织中传播得更快。抑制剂的这种快速扩散防止了活化袋溢出。根据激活剂和抑制剂释放的确切时间和位置，激活袋将按规则间隔的点、条纹或其他图案排列。

澳大利亚柯廷大学的发育生物学家Catherine Boisvert解释说，这种激活-抑制系统是一种强大的发育基序。她说，如果你想建立一个完整的结构，如羽毛或小齿，你“不能过度拥挤”。“如果中间没有间距，就永远不会得到不同的实体。”

根据席尔的说法，图灵的模型让发展生物学家兴奋不已，因为“尽管它很简单，但它可以解释许多不同的模式。”然而在实践中，很少有自然界中的模式被确定为图灵机制。

两个这样的例子是在设定小鼠毛囊和雏鸡的羽毛. 在一只发育中的小鸡身上，原羽毛会依次弹出，形成一条沿着小鸡背部的直线。最初的那一行刺激了平行行的产生，这些平行行沿着胚胎的两侧层叠而下，直到胚胎被覆盖。关键的是，研究人员知道起激活和抑制作用的分子，证实了这一过程是图灵式的。

弗雷泽实验室的研究生罗里·库珀(Rory Cooper)认为，鲨鱼的齿状突似乎也是如此发展的。然而，鲨鱼以及它们的近亲鳐鱼和鳐鱼，在4.5亿年前从其他脊椎动物中分离出来。

“它们位于生命之树上一个非常有趣的位置，”库珀说。他解释说，鲨鱼为早期脊椎动物的发展提供了一个视角。在哺乳动物长出毛发、鸟类长出羽毛之前的数亿年里，鲨鱼的皮肤上覆盖着齿状“鳞片”，就像铠甲一样。(它们是现存最古老的有皮肤附属物的脊椎动物。)齿状突起的模式、形式和功能是多样的:浓密的齿状突起为一些鲨鱼提供了额外的保护，而更稀疏和光滑的齿状突起则减少了敏捷鲨鱼的阻力。在一些鲨鱼物种中，牙齿上甚至有生物发光细菌辅助通信. 然而，尽管存在一些细微的差异，但不可否认的是，牙齿、头发和羽毛之间的发育模式相似。

为了证明鲨鱼的齿纹图案在原则上可能来自图灵式机制，弗雷泽的同事建立了一个激活剂和抑制剂相互作用的数学模型。他们对这两种形态因子的扩散、产生和降解速率进行了修补，直到模型产生了与正在发育的鲨鱼皮肤相匹配的模式。“这个模型告诉我们，理论上，一种类似图灵的机制可以解释鲨鱼的模式形成，”库珀说。

牙齿发育的分子基础并不为人所知，就像羽毛一样。然而，考虑到发育过程的相似性，小鸡的基因是一个很好的起点。当库珀使用原位杂交技术是一种可以在发育组织中阐明基因表达的技术。他发现，在小鸡和鲨鱼的模式形成过程中，相同的基因都被点亮了。“这些基因不仅在[齿状突起]出现时表达，它们实际上是在相同的组织层中表达的，这是相当强的保守性，”库珀说。

为相似的过程证明相似的基因表达是一个很好的第一步，但发育生物学的金标准证明是一个击倒实验：如果你减少或消除一个基因的表达，然后模式消失，该基因必须在模式产生中起重要作用。为了做到这一点，库珀在微小的珠子中加入了一种抑制鸡毛激活剂的化学物质。然后，他将这些珠子与鲨鱼胚胎中的原始小齿一起植入，并观察鲨鱼的生长。

结果是清楚的。这种珠子被设计用来抑制鸟类中激活基因的表达，经过数亿年的进化，可以在鲨鱼身上发挥同样的作用。库珀发现激活剂基因的表达在珠子旁边直线下降，形成了一个没有小齿的平坦“死区”。

席尔说:“这些操作的结果确实有力地证明了这种机制是非常保守的。”

理论上，图灵机制并不是构建模式的唯一方法，但大自然似乎偏爱它们。

为了测试图灵机制是否能够创造出在其他鲨鱼及其亲属身上看到的广泛的齿纹，研究人员在他们的模型中调整了激活剂和抑制剂的产生、降解和扩散速率。他们发现，相对简单的变化可以产生与这一谱系中看到的多样性相匹配的模式。例如，冰鞋的齿纹往往更稀疏;通过增加扩散速率或降低抑制剂的降解速率，研究人员可以使更稀疏的模式出现。

一旦初始模式确定，其他非图灵机制将完成这些行转化为完全形成的小齿、羽毛或其他上皮附件。Boisvert解释说：“这些高度保守的主调节机制在这些附属物的早期发育过程中起作用，但下游的物种特异性机制起作用来完善这种结构。”，博伊斯维特强调，如此多不同的生物模式背后的机制是“由一位没有受过生物学训练的数学家在对分子生物学了解甚少的时候提出的”，这是多么了不起的一件事

理论上，图灵机制并不是构建模式的唯一方法，但大自然似乎偏爱它们。弗雷泽认为，如此多分布广泛的生物群体对这一机制的依赖表明，某种约束可能在起作用。他说:“你可能没有很多方式可以塑造某种东西。”一旦一个系统出现，特别是像图灵机制这样简单而强大的系统，自然就会跟着它运行，不会回头。

弗雷泽说：“生物多样性是建立在一套相当有限的原则基础上的，这些原则似乎有效，并在进化过程中反复使用。”。大自然，尽管有着旺盛的创造力，可能比我们想象的更保守。

乔纳森·兰伯特是一位进化生物学家，现为科学作家广达杂志写作实习生。在此之前，他是美国广播协会的大众媒体研究员达拉斯晨报，同时也是美国公共媒体面向孩子们的科学播客《Brains on !》的助理制片人。他目前是康奈尔大学的博士生。

经许可转载自量子杂志社抽象博客

首席图像:亚历山大·蒂埃里