○ 图片来源：新原理研究所 / 设计：岳岳
对称常常被视作美的根源。但这种对称之美只是“肤”浅的。深入人体内部，会发现体内的不对称比比皆是。肝脏在右边，脾脏在左边，心脏偏向左边……你的身体内部几乎是完全不对称的。而这是有道理的，因为身体正试图把所有器官塞进一个狭小的空间里。
如果这个过程出了差错，可能会导致问题，也可能不会。在大约每一万人中会出现一个人，他的所有内脏器官都是左右颠倒的，他们的心脏在右边，肝脏在左边……但身体机能并不会受到影响。
还有一些人的体内会出现部分颠倒，大约每1000人中就有一人会出现这样的情况，这会导致一些问题，比如一些人会出现脾脏缺失。儿科心脏病专家Martina Brueckner介绍，对那些出生时体内就存在部分颠倒的人来说，最大的担忧之一就是出现心脏缺陷，例如，心脏可能有两个右心房或两个左心房，而不是一个左心房和一个右心房。这类问题会有生命危险，通常需要矫正手术。
然而，从更根本上来说，或许更令科学家困惑的是，人类（和动物）是如何从一颗均匀的受精卵，发育成有头有尾、有前有后的个体的？2005年，《科学》杂志在创刊125周年之际，挑选了125个最具挑战的科学前沿问题，其中一个就是发育生物学中的难题——胚胎中的不对称是如何确定的？
在整个胚胎的水平上，研究人员已经发现了一些端倪。在胚胎发育的早期，也就是大约人类妊娠的第18天到第20天，胚胎在未来腹部的位置形成了一种临时结构，它被称为“左右组织者”（left-right organizer, LRO）。在LRO内部，细胞的“触手”，也就是纤毛，会将液体推向左侧，这会引发一连串的事件，使胚胎左右两侧产生差异。
决定左右的最早的线索之一来自患有卡塔格纳综合征的男性。这种疾病可能导致器官完全颠倒，以及慢性鼻窦炎和肺壁炎症的发生。此外，患有卡塔格纳综合征的男性往往是不育的。上世纪70年代，瑞典科学家Björn Afzelius和团队将不孕症与精子用来游泳的尾状鞭毛联系在了一起。他因此认为，与纤毛有关的结构上的类似问题，也可能是导致器官左右颠倒的原因。这也可以解释疾病带来的鼻窦和肺部问题，因为这些身体部位正用纤毛来清除阻塞呼吸道的污垢和黏液。
这是一种认识的飞跃，而且是向着正确的方向。卡塔格纳综合征现在被认为是原发性纤毛运动障碍的一种亚型。但Brueckner回忆说，在当时，大多数科学家不相信Afzelius。许多人甚至认为胚胎没有移动的纤毛，而证明他的模型是正确的，则花了几十年的时间。
后来，科学家开始关注胚胎左右发育过程中的早期事件。在1995年的一篇论文中，遗传学家Cliff Tabin和他的同事描述了在鸡的胚胎中，某些蛋白质是如何不均匀地分布在胚胎的一侧。其中一种蛋白质是一类重要的发育调节物，被称为音猬因子（Sonic hedgehog，与《刺猬索尼克》的主角索尼克同名）。起初，调节物分布在整个LRO中，但后来它只出现在左边。事实证明，音猬因子和其他一些最终不对称的蛋白质激活了其他蛋白质。而这些蛋白质共同造成了解剖学上的不对称。
但Tabin的研究并没有解释最初的调节物是如何到达胚胎的左侧的。当时，纤毛假说只是一个可能的解释。1998年，日本东京大学的Nobutaka Hirokawa、Shigenori Nonaka和团队取得了突破性进展。科学家检查了带有纤毛缺陷的小鼠胚胎。研究人员发现，其中一些纤毛开始将心脏放在错误的一侧。他们还捕捉到了视频影像，在正常的小鼠胚胎中，纤毛在不对称的LRO中将液体扫向左边。这是因为这些在LRO中的特殊纤毛会不对称地旋转。它们就像纸风车，总是朝一个方向移动。
但是，这种向左的流动是如何导致Tabin观察到的那些蛋白质的位置变化的呢？Brueckner的团队在2003年报道了一条线索。他们发现，LRO左侧的细胞，在“接收”到液体后，会让钙流进细胞内部。像这样的钙涌入会引发各种细胞过程，包括产生蛋白质。
○ 这张用扫描共焦激光显微镜拍摄的图像，显示了小鼠胚胎的LRO。由于LRO中纤毛的旋转作用，排列在左侧的细胞吸收钙，产生荧光信号（红色/绿色）。钙随后会发出信号，将左侧细胞与右侧细胞区分开来。| 图片来源：J. MCGRATH et al./Cell 2003
但每一个答案都会引出一个新的问题——在这种情况下，这些左侧细胞在被液体冲刷时能感知到的究竟什么？Hirokawa和他的同事认为，在向左的液体流动中，和液体一同被推向左边的是一些小膜包，它们就像在洋流中漂流瓶，它们包含音猬因子之类的物质。Tabin和其他人则提出了另一种解释，他们认为，接收细胞能感知向左流动的液体的机械力，就像海浪推动的海草一样。
生物流体力学专家David Smith认为，这两种想法可能都是对的。它可能是某种力和生物化学的结合。
事实上，如果进入更微观的层面，我们的分子通常也是不对称的。有趣的是，有一些分子，它们的组成和原子的复杂排列方式完全相同，但互为镜像，就好像左手和右手一样。这类分子被称为手性分子。
随着地球上生命的发展，自然似乎为分子“选择”了左手或右手版本：DNA是“右撇子”（右旋结构），而蛋白质分子则“左撇子”（左旋）。英国诺丁汉大学进化遗传学家Angus Davison认为，这种左右的偏好可能会引发早期胚胎的不对称。特别是从他最近对螺类的研究来看，在细胞内部作为骨架的分子网状结构，在定义左和右中似乎起到了作用。
人类把自己的不对称都藏在了皮肤之下，但螺类还有花园里的蜗牛，却让所有人都能看到这种不对称。有些螺和蜗牛物种的壳倾向于顺时针旋转，而罕见的逆时针旋转的纹路可能是不健康的，孵化的概率更低。在其他一些物种中，异常的逆时针旋转的纹路更常见的，而且看起来无害。但它其实影响了螺类和蜗牛的爱情生活，因为逆时针纹路的个体的生殖器与其他顺时针的位置不一样，因此会导致交配上的困难。
○ 一只带有逆时针壳纹路的蜗牛正试图与一只正常的顺时针壳纹路的蜗牛交配。| 图片来源：ANGUS DAVISON/Wikicommons
Davison的实验室和一个日本研究小组最近通过研究椎实螺，发现了一种控制螺类母本的后代顺时针还是逆时针的基因。这种基因能指导合成形成素（formin）蛋白质，这种蛋白质有助于组装细胞内部的一些支撑结构。他们发现，如果椎实螺带有缺陷的形成素基因，会让婴儿长出逆时针方向的壳。
这是为什么？Davison解释说，肌动蛋白（actin）是构成这些支撑结构的分子，它们天然带有一种扭曲，但如果形成素没有起作用，肌动蛋白的这种扭曲就会稍微放松。他认为，母亲卵子中肌动蛋白扭曲的细微变化，可能会导致早期螺类胚胎改变其不对称的模式。
这或许是一种方式能看出，自然界用不对称的分子造就了所有动物的不对称。它可能不是传统意义上的“美”，但它是有效的。
参考来源：[1] https://www.knowablemagazine.org ... -out-left-and-right[2] https://www.cc.gatech.edu/~turk/science_125/science_125.pdf
发表于 2020-5-4 01:02
