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数学解释卵子细胞发育过程中如何形成巨大漩涡

卵细胞是动物界中最大的细胞之一。如果仅由于水分子的随机撞击而移动,一种蛋白质可能需要数小时甚至数天的时间才能从形成卵细胞的一侧漂移到另一侧。幸运的是,自然界发展出了一种更快的方法:在诸如老鼠,斑马鱼和果蝇等动物的未成熟卵细胞中跨越细胞的漩涡。这些涡流使跨单元通勤仅需一小部分时间。但是直到现在,科学家们还不知道这些关键的流动是如何形成的。

使用数学建模,研究人员现在可以找到答案。研究人员在1月13日的《Physical Review Letters》中报告说,回旋是由称为微管的棒状分子管的集体行为引起的,这些管从细胞膜向内延伸。

“虽然人们对这些流动的生物学功能尚不甚了解,但它们却分布着营养成分和其他构成人体计划和指导发育的因素,”研究的主要作者,熨斗研究所(Flatiron Institute)研究中心的科学家戴维斯坦(David Stein)说。纽约市的计算生物学(CCB)。鉴于在整个动物界中观察到的旋流非常广泛,“它们甚至可能在人类中也存在”。

剑桥大学的研究员加布里埃莱·德卡尼奥(Gabriele De Canio)与斯坦因(Stein)共同领导了这项研究。他们的合著者是CCB主任,纽约大学教授Michael Shelley和剑桥大学教授Eric Lauga和Raymond Goldstein。

自18世纪末以来,科学家研究了细胞流动,当时意大利物理学家Bonaventura Corti使用显微镜观察了细胞内部。他看到流体在不断运动,但是直到20世纪,科学家们才确定运动的源头:沿着微管行走的分子马达,他们才了解驱动这些流动的机制。那些马达拖运大量的生物有效载荷,例如脂质。将货物通过舱室中相对较稠的液体刺杀,就像拖着沙滩球穿过蜂蜜一样。当有效载荷在流体中移动时,流体也会移动,从而产生较小的电流。

但是有时候这些电流不是那么小。在普通果蝇卵细胞的某些发育阶段,科学家发现了遍布整个细胞的漩涡状水流。在这些细胞中,微管像小麦秸秆一样从细胞膜向内延伸。攀爬这些微管的分子马达随着它们的上升而向下推动。向下的力使微管弯曲,从而重定向所产生的流动。

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