皮膚是我們最大的器官。它有大約2平方米(22平方英尺),圓滿的包裹著身體。近日,科學家們發現了一種全新的幾何形狀,而這種形狀對科學和數學界來說都是前所未聞的,而且它似乎一直隱藏在我們的皮膚中,確切地說,在上皮細胞中。通常覆蓋在人體的外表面(如我們的皮膚)和身體內部器官的內表面(如腸道的內部等)。
這些上皮細胞是生命早期最重要的細胞之一,幫助正在發育的胚胎建立起結構,這些結構最終會成為身體的不同器官。因此,這些上皮組織(由成百上千萬的微小細胞堆疊在一起)不但組成了我們的外部皮膚,而且還構成我們內部器官的線條。
科學家們從來沒有完全弄清楚這些細胞的形狀,但大多數人認為它們胞應該是柱狀的稜柱,或者是「瓶子」狀的稜錐臺,即所謂的平截頭體。
但是當科學家們使用計算機模型來近距離模擬上皮細胞的三維「包裝」時,他們有了驚喜。
研究通訊作者,美國利哈伊大學的生物工程師Javier Buceta說:「在建模的過程中,我們發現了奇怪的結果。我們的模型預測出,隨著上皮組織曲率的增加,這些細胞不僅僅會發育成柱狀和瓶子狀。」
除了常見的形狀外,Buceta的團隊還發現了一種從來沒見過的奇怪形狀。該研究已發表在《Nature Communications》上(點擊左下角閱讀原文)。
Scutoid結合在一起(左)和分開(右)。圖片來源:University of Seville
它看起來像稜鏡,但是一端有五個邊緣,而另一端有六個邊緣:這種奇怪的幾何形狀是因為一個Y型分割將其一個邊緣分成了兩部分,形成了一個迷你三角形。
這種奇怪的「扭曲稜鏡」聽上去像是M.C. Escher(一個因畫風怪誕並且對大腦是如何進行空間思維提出疑問的著名畫家)的作品,但是根據該團隊的說法,這個新形狀從未出現在任何學術文獻中。
M.C. Escher
Buceta說:「令我們驚訝的是,這個形狀連自己的名字都沒有。一般人沒有機會為一個新的形狀命名。」
最終,研究人員將這個新形狀命名為scutoid,以表達對「scutellum」的致敬,這是某些昆蟲胸部靠後的部位,看上去與這個小三角形很像。
Protaetia speciose 甲殼蟲的背視圖。圖片來源: Gómez-Gálvez et al, Nature Communications
至於為什麼scutoid存在於皮膚內部,該團隊稱,扭曲的稜鏡能在上皮細胞彎曲時形成更高能效的形狀。
圖片來源: Nature Communications
該研究另一位通訊作者,西班牙塞維亞大學的細胞生物學家Luisma Escudero說:「當組織彎曲時會使能量最小化,從而更加穩定。基於這個原因,我們的生物物理學數據表明,這些細胞長成這個形狀就是為了這一目的。」
研究人員在模型中發現了scutoid之後,他們開始在自然界中驗證這一發現,並在果蠅和斑馬魚的上皮組織中也發現了這種扭曲稜鏡存在的初步證據。
但由於所有的動物都擁有這種皮膚細胞,該團隊認為,這種形狀的識別可能會成為我們理解上皮細胞的轉折點。
雖然還需要更多的研究來證實scutoid存在於生物體內(包括人類)的廣泛程度,但是研究人員們認為這項發現將為我們理解上皮器官的三維組織鋪平道路。
Buceta說:「比如,如果你想要培養人造器官,這項發現將幫助你建立一個支架來支撐細胞生長,精確地模擬組織有效發育的自然方式。我們已經破解了大自然實現有效的上皮彎曲的方案。」
Scutoids are a geometrical solution to three-dimensional packing of epitheliaNature Communicationsvolume 9, Article number: 2960 (2018)
(來源:中國生物技術網 20180802)