從幾個細胞轉變成一個發育完全的生物體，並配備可工作的組織和器官，是一個混亂但高度同步的過程，需要細胞以精確的方式組織起來並開始協同工作。這過程在心臟中特別顯著，靜止的細胞必須開始完全一致地跳動。現在，由哈佛大學醫學院和哈佛大學研究人員領導的一項跨校合作讓人們看到了心臟細胞開始跳動的確切過程。

在斑馬魚進行的一項研究中，研究團隊發現，隨著鈣含量和電訊號的增加，心臟細胞會突然同時開始跳動。此外，研究人員還發現，每個心臟細胞都有自行跳動的能力，不需要心律調節器，而且心跳可以從不同的地方開始。這些發現最近發表在《自然》雜誌上。

共同第一作者、哈佛醫學院布拉瓦特尼克研究所繫統生物學教授肖恩-梅加森（Sean Megason）說：”人們如此重視心臟的跳動，以至於它長期以來一直是研究的焦點，但這是我們第一次能夠以如此高的分辨率深入研究它。”

對於好奇的生物學家來說，了解心跳的基本機制可能本身就很有趣，但這對於了解在調節心跳的心臟系統發育不正常或開始失靈的情況下發生了什麼也至關重要。

共同第一作者、哈佛大學化學與化學生物學和物理學教授亞當-科恩（Adam Cohen）說：”在人的一生中，心臟大約要跳動30 億次，而且絕不能休息。我們想看看這台不可思議的機器是如何首次開啟的。”

研究人員並不是想要研究心臟是如何開始跳動的。相反，他們正在尋找一個科學問題，將科恩實驗室在電活動成像方面的專長與梅加森實驗室在研究發育中的斑馬魚細胞如何學會交流與合作方面的興趣結合起來。

他們的研究方向直指心臟。研究人員意識到，儘管從亞里斯多德對小雞的觀察開始，對發育中的心臟進行了數千年的研究，但心臟細胞如何開始跳動的細節仍然是一個謎，而他們有可能解開這個謎。

“我們想回答一個基本問題： 心臟細胞是如何從靜止到跳動的？」梅加森解釋。”心臟開始跳動是千載難逢的事件，但它是如何發生的並不明顯。”

這是一項探索性研究，因此他們不知道會發現什麼。他們推測，也許是幾個細胞開始跳動，跳動區域慢慢擴大；也許是心臟的不同部分開始獨立跳動，最終合併；也許是心臟開始時跳動微弱，隨著時間的推移逐漸增強。

結果發現，答案都不是。

研究人員利用螢光蛋白和高速顯微鏡成像技術，捕捉了發育中的斑馬魚胚胎心臟細胞中鈣含量和電活動的變化。他們驚訝地發現，所有心臟細胞突然從不跳動過渡到跳動–其特徵是鈣離子和電訊號同時出現尖峰–並立即開始同步跳動，就像有人打開了開關一樣。

進一步的實驗表明，每次心跳時，心臟的一個區域會先發動，引發一股電流，這股電流迅速流過其他細胞，促使它們跟隨跳動。

有趣的是，不同斑馬魚的心跳是從不同的點開始的，這表明最先起火的細胞並不獨特。這項發現與直覺相反，因為成體心臟的細胞表現不同。

第一作者比爾-賈（Bill Jia）是科恩和梅格森實驗室的聯合研究生，他說：”在成體心臟中，有一群專門的起搏細胞驅動心臟跳動，而胚胎心臟中的大多數細胞都有自行跳動的能力，因此很難預測第一次跳動的位置。”

由於心臟細胞是在瞬間開始跳動的，因此它們必須在第一次心跳之前就發展出跳動和感知鄰近細胞跳動的能力–Megason把這比作一支軍隊在沒有練習之前就必須開始同步行軍。

賈補充說：”心臟首先要學會如何在沒有時鐘的情況下保持步調一致，單一細胞首先要學會合作，而不需要就各自的角色達成一致。有規律的心跳非常重要，但在生命之初，心跳很快就從看似一團糟的狀態組織起來了。

發育中的斑馬魚為研究心臟提供了一個方便的模型，因為它們是透明的，生長迅速–只需24小時就能產生心跳–而且可以透過十幾個攝影機進行成像。不過，梅加森認為，相同的發育過程可能在包括人類在內的不同物種間是一致的。

研究團隊指出，這項發現為進一步了解不同物種的心跳發育過程打開了一扇大門，或許有一天能揭示人類心律不整等心律不整是如何產生的。透過觀察心臟的發育過程，我們可以看到不同的控制機制是如何分層的，這可能會告訴我們如果這些機制崩潰會發生什麼。