生命的基本和永恒问题之一涉及其开始的机制。以人类发育为例：单个细胞如何聚集在一起形成复杂的结构，如皮肤、肌肉、骨骼，甚至大脑、手指或脊柱？
尽管这些问题的答案仍然未知，但科学探究的一条路线在于理解原肠胚形成——胚胎细胞从单层发育到具有主体轴的多维结构的阶段。在人类中，原肠胚形成发生在受孕后 14 天左右。
在这个阶段不可能研究人类胚胎，因此加州大学圣地亚哥分校、邓迪大学（英国）和哈佛大学的研究人员能够研究雏鸡胚胎的原肠胚形成，这些胚胎与现阶段的人类胚胎有许多相似之处。
这项研究是通过加州大学圣地亚哥分校物理学助理教授马蒂亚·塞拉（Mattia Serra）所说的理想循环进行的：理论和实验科学的跨学科、来回结合。Mattia是一位理论家，对在复杂的生物物理系统中寻找涌现模式感兴趣。
预测数学模型的开发
在这里，他和他的团队根据邓迪大学生物学家的意见建立了一个数学模型。该模型能够准确预测在显微镜下观察到的原肠胚形成流 – 整个鸡胚中数万个细胞的运动。这是自组织数学模型首次能够在雏鸡胚胎中重现这些流动。
然后，生物学家想看看该模型是否不仅能复制他们在实验中知道的真实情况，而且还能预测在不同条件下可能发生的事情。塞拉的团队“扰乱”了模型——换句话说，改变了初始条件或当前参数。
结果令人惊讶：该模型产生的细胞流动不是在雏鸡中自然观察到的，而是在另外两种脊椎动物物种（青蛙和鱼类）中观察到的。
为了确保这些结果不是模型的数学幻想，生物学合作者在实验室中模仿了模型对雏鸡胚胎的确切扰动。引人注目的是，这些纵的雏鸡胚胎还显示出在鱼类和青蛙中自然观察到的原肠胚形成流动。
启示与未来研究
这些发表在《科学进展》上的研究结果表明，多细胞自组织背后的相同物理原理可能在脊椎动物物种中进化而来。
“鱼、青蛙和雏鸡都生活在不同的环境中，所以随着时间的推移，进化压力可能已经改变了胚胎发育的参数和初始条件，”塞拉说。“但是，至少在原肠胚形成的早期阶段，一些自组织的核心原则在这三个方面可能是相同的。
塞拉和他的合作者现在正在研究产生胚胎规模自组织模式的其他机制。他们希望这项研究能够推进生物材料设计和再生医学，帮助人类活得更久、更健康。
“人体是现存最复杂的动力系统，”他说。“关于我们的身体，有很多有趣的生物学、物理和数学问题——思考起来很美。我们可以做出的发现是无穷无尽的。
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