數學解釋:卵子細胞發育過程中如何漩渦流動

2021-01-15 量子認知

卵細胞是動物界中最大的細胞之一。如果僅由於水分子的隨機撞擊而移動，一種蛋白質可能需要數小時甚至數天的時間才能從形成卵細胞的一側漂移到另一側。幸運的是，自然界已經發展出了一種更快的方法：在諸如老鼠、斑馬魚、和果蠅等動物的未成熟卵細胞中跨越細胞的漩渦。這些渦流使跨單元移動僅需一小部分時間。但是直到現在，科學家們還不知道這些關鍵的流動是如何形成的。

通過使用數學建模，研究人員現在找到答案。研究表明，迴旋是由稱為微管的棒狀分子管的集體行為產生的，這些管從細胞膜向內延伸。該研究發表在今天的《物理評論通訊》上。如圖所示圖表，說明未成熟卵細胞中跨細胞流動的出現。

研究人員說：「雖然人們對這些流動的生物學功能了解甚少，但它們會分配營養成分和其他構成人體計劃並指導發育的因素。」 「它們甚至可能在人類中也存在」。

自18世紀末以來，科學家研究了細胞流動，當時義大利物理學家Bonaventura Corti使用顯微鏡觀察了細胞內部，看到流體在不斷運動，但直到20世紀，科學家們才確定運動的源頭：沿著微管行走的分子推動力，才了解驅動這些流動的機制。這些推動力拖運大量的例如脂質生物有效載荷，通過艙室中相對較稠的液體，就像拖著沙灘球穿過蜂蜜一樣。當有效載荷在流體中移動時，流體也會移動，從而產生較小的電流。

如動畫所示普通果蠅未成熟卵細胞內部流體流動的數學模擬。微管（灰色線）從細胞膜延伸。微管上拖曳有效負載的分子推動力驅動局部電流並導致微管彎曲。電流導致相鄰的微管向同一方向彎曲，使電流對齊並生成跨細胞的漩渦（藍色箭頭）。

在普通果蠅卵細胞的某些發育階段，科學家發現了遍布整個細胞的漩渦狀水流。在這些細胞中，微管像小麥秸稈一樣從細胞膜向內延伸。攀爬這些微管的分子推動力隨著它們的上升而向下推動。向下的力使微管彎曲，從而重定向所產生的流動。

先前的研究考慮了這種彎曲機制，但將其應用於孤立的微管。這些研究預測，微管會繞圈旋轉，但這種行為與觀察結果不符。

在這項新研究中，研究人員在其模型中添加了一個關鍵因素：相鄰微管的影響。該添加表明，載有載重物的推動力產生的流體流沿相同方向彎曲附近的微管。有了足夠的推動力和足夠的微管密度，這種集體排列將所有流向相同的方向定向，從而形成了整個細胞內的渦流。

參考：Swirling Instability of the Microtubule Cytoskeleton.Phys. Rev. Lett. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.028103

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