数学解释卵子细胞发育过程中如何漩涡流动

卵细胞是动物界中最大的细胞之一。如果仅由于水分子的随机撞击而移动，一种蛋白质可能需要数小时甚至数天的时间才能从形成卵细胞的一侧漂移到另一侧。幸运的是，自然界已经发展出了一种更快的方法：在诸如老鼠、斑马鱼、和果蝇等动物的未成熟卵细胞中跨越细胞的漩涡。这些涡流使跨单元移动仅需一小部分时间。但是直到现在，科学家们还不知道这些关键的流动是如何形成的。

通过使用数学建模，研究人员现在找到答案。研究表明，回旋是由称为微管的棒状分子管的集体行为产生的，这些管从细胞膜向内延伸。该研究发表在今天的《物理评论通讯》上。如图所示图表，说明未成熟卵细胞中跨细胞流动的出现。

研究人员说：“虽然人们对这些流动的生物学功能了解甚少，但它们会分配营养成分和其他构成人体计划并指导发育的因素。”“它们甚至可能在人类中也存在”。

自18世纪末以来，科学家研究了细胞流动，当时意大利物理学家BonaventuraCorti使用显微镜观察了细胞内部，看到流体在不断运动，但直到20世纪，科学家们才确定运动的源头：沿着微管行走的分子推动力，才了解驱动这些流动的机制。这些推动力拖运大量的例如脂质生物有效载荷，通过舱室中相对较稠的液体，就像拖着沙滩球穿过蜂蜜一样。当有效载荷在流体中移动时，流体也会移动，从而产生较小的电流。

如动画所示普通果蝇未成熟卵细胞内部流体流动的数学模拟。微管（灰色线）从细胞膜延伸。微管上拖曳有效负载的分子推动力驱动局部电流并导致微管弯曲。电流导致相邻的微管向同一方向弯曲，使电流对齐并生成跨细胞的漩涡（蓝色箭头）。

在普通果蝇卵细胞的某些发育阶段，科学家发现了遍布整个细胞的漩涡状水流。在这些细胞中，微管像小麦秸秆一样从细胞膜向内延伸。攀爬这些微管的分子推动力随着它们的上升而向下推动。向下的力使微管弯曲，从而重定向所产生的流动。

先前的研究考虑了这种弯曲机制，但将其应用于孤立的微管。这些研究预测，微管会绕圈旋转，但这种行为与观察结果不符。

在这项新研究中，研究人员在其模型中添加了一个关键因素：相邻微管的影响。该添加表明，载有载重物的推动力产生的流体流沿相同方向弯曲附近的微管。有了足够的推动力和足够的微管密度，这种集体排列将所有流向相同的方向定向，从而形成了整个细胞内的涡流。

参考：SwirlingInstabilityoftheMicrotubuleCytoskeleton.Phys.Rev.Lett.

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