生命的一個基本而永恆的問題涉及生命誕生的機制。以人類的發育為例：單一細胞是如何結合在一起形成皮膚、肌肉、骨骼，甚至大腦、手指或脊椎等複雜結構的？儘管這些問題的答案仍然未知，但科學探索的一個方向在於了解胚胎發育–胚胎細胞從單層發育成具有主身體軸的多維結構的階段。人類的胚胎著床發生在受孕後14 天左右。

在這一階段無法對人類胚胎進行研究，因此加州大學聖地亞哥分校、英國鄧迪大學和哈佛大學的研究人員能夠對小雞胚胎的胃形成進行研究，小雞胚胎在這一階段與人類胚胎有許多相似之處。

這項研究是透過加州大學聖地牙哥分校物理學助理教授馬蒂亞-塞拉（Mattia Serra）所說的理想循環進行的：一種跨學科的、理論與實驗科學的來回結合。馬蒂亞是一位理論家，他對在複雜的生物物理系統中發現新出現的模式很感興趣。

開發預測性數學模型

在這裡，他和他的團隊根據鄧迪大學生物學家的意見建立了一個數學模型。該模型能夠準確預測在顯微鏡下觀察到的小雞胚胎發育流（整個小雞胚胎中成千上萬個細胞的運動）。這是第一次有自組織數學模型能夠再現小雞胚胎中的這些流動。

隨後，生物學家們想了解這個模型是否不僅能複製他們在實驗中已知的事實，還能預測在不同條件下可能發生的情況。塞拉的團隊對模型進行了”擾動”–換句話說，改變初始條件或當前參數。

雙胞胎小雞胚胎發育的快照。黃色條紋標誌著未來的脊髓。圖片來源：馬蒂亞-塞拉小組/加州大學聖地牙哥分校

結果出乎意料：模型產生的細胞流在雛雞身上沒有自然觀察到，但在另外兩種脊椎動物–青蛙和魚身上觀察到了。

為了確保這些結果不是模型的數學幻想，生物學合作者在實驗室裡對小雞胚胎模仿了模型中的精確擾動。令人吃驚的是，這些經過處理的小雞胚胎也顯示了在魚類和青蛙身上自然觀察到的胃形成過程。

影響與未來研究

發表在《科學進展》（Science Advances）上的這些研究結果表明，多細胞自組織背後的相同物理原理可能已經在脊椎動物物種之間進化。

塞拉說：「魚類、青蛙和雛鳥都生活在不同的環境中，因此隨著時間的推移，進化壓力可能已經改變了胚胎髮育的參數和初始條件。但是，至少在胚胎髮育的早期階段，三者的某些自組織核心原則可能是相同的”。

研究團隊目前正在研究產生胚胎級自組織模式的其他機制。他們希望這項研究能推動生物材料設計和再生醫學的發展，幫助人類活得更長、更健康。

“人體是現存最複雜的動力系統，」他說。”關於我們的身體，有這麼多有趣的生物、物理和數學問題–想想都覺得美極了。我們的發現永無止境”。

編譯來源：ScitechDaily