手指脚趾的形成也符合图灵生物花纹理论

手指也可以用作图案，就像许多动物身上的条纹和斑点可以通过图灵模型来预测一样。

《每日科学新闻》最近，西班牙加泰罗尼亚高等研究院(ICREA)和庞贝法布拉大学(UPF)的科学家合作，通过实验证明手指和脚趾的形成也受60多年前图灵提出的生物模式形成机制的控制。

“计算机科学之父”和英国数学家艾伦·图灵对数学生物学做出了同样重要的贡献。1952年，他发表了一篇关于自然界模式是如何形成的论文，开辟了一个全新的数学领域。本文提出了一个由两个分子组成的系统。如果分子以适当的方式扩散和反应，就会产生斑点或条纹。

他的数学方程表明，在均匀的初始条件下，如没有模式的均匀分布，分子浓度会自发地组织成一个重复的空间模式。这一理论逐渐被人们接受，并被用来解释一些简单的图案，如斑马条纹和沙丘波纹，但它不适合胚胎发育，也不能解释一些结构，如手指是如何形成的。

这项新研究由ICREA·詹姆斯·夏普教授领导，数据由UPF基因组调控中心的多细胞系统生物学实验室提供。夏普说，这项研究是对他们2012年发表在《科学》杂志上的论文的补充，当时他们提出，Hox基因和FGF信号可以调节一个假设的图灵系统，但是图灵说的分子还没有被发现。新的研究揭示了在图灵系统中起作用的信号分子。

根据物理学家组织网络7月31日的一份报告，研究人员使用系统生物学方法，结合实验结果和计算机模型反复调整。他们筛选了各种不同的基因表达，最终发现这两条信号通路具有所需的活性模式:BMPs和WNTs，这两条信号通路由一种不扩散分子——转录因子Sox9连接。后来，他们逐渐建立了一个兼容所有数据的数学模型，并能预测抑制两条路径的结果:抑制其中一条或两条路径将改变手指的形状。他们用培养的胚胎组织进行实验，同样的手指形状也出现在胚胎上，证明了他们的计算预测。

这项研究的影响远远超出了对手指发育的理解，并回答了一个更广泛的争论:人体内数百万个细胞如何移动和排列自己以形成一个合适的三维结构——肾脏、心脏和其他器官？这也挑战了当前的主流观点——刘易斯·沃尔珀特的“位置信息”理论，该理论认为细胞知道自己想要做什么，因为它们都接受自己的空间“适合”信息(类似于地图上的经度和纬度)。新的研究论文强调，在器官形成中，局部自组织机制可能比以前认为的更重要。

研究人员指出，为了发展有效的再生医学策略，在为每个器官设计替代组织之前，必须正确理解多细胞器官。这些发现也解释了为什么多指畸形是人类常见的先天性缺陷。从数学上讲，图灵系统调节“条纹”数量的模型比其他模型稍差一些。

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