产业气象站@创造出所有的器官？，如何在恰当的时间
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动物界五彩缤纷 ， 从果蝇到小鼠再到大象 ， 看似千奇百怪 。 但如果追溯到发育的层面 ， 动物之间的相同之处又远比我们想象的多 。 各种动物的细胞从胚胎到成年 ， 其实都遵循着非常相似的步骤和顺序 ， 细胞分裂和分化、基因表达、分子信号等许多细节也很相似 。
但不同之处在于 ， 在不同物种身上 ， 这些步骤通常是以不同的速率发生的 。 举个例子 ， 运动神经元是一种让肌肉收缩的神经细胞 。 从前体细胞发育而来的这个过程 ， 在小鼠体内需要数天 ， 而在人类体内则需要一到两周时间 ， 在体外实验中也会得到类似的结果 。
也就是说 ， 这是相同的基因过程、相同的基因活动、一样的相关机制 ， 而它在人类体内的运行速度比在小鼠胚胎中慢 。
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○从干细胞发育到运动神经元 ， 小鼠和人需要的时间有很大差异 。 |图片来源：Briscoe&Ebisuya/Development
从整个胚胎发育的妊娠周期来看 ， 小鼠的妊娠大约20天 ， 而人类则需要约9个月 ， 一头非洲象会在母亲的子宫里待上将近两年 。 大体上来说 ， 动物的体形大小似乎与它们体内细胞的发育速度是一致的 。
但是 ， 是什么决定了发育事件的节奏和顺序？多个事件的顺序如何协调？生物体内是有什么样的“生物计时器” ， 能让生物以正确的速率发育 ， 确保它生长到适当的大小 ， 并使其所有部分都就位呢？这是很多生物学家试图回答的问题 。
2018年发表在《发育》杂志上的一篇评论中 ， 发育生物学家Briscoe和Ebisuya共同探讨了目前发育生物学中对“发育时间”的理解 。 在许多关于发育机制的讨论中 ， 时间的重要性是一个默认的假设 。
及时的细胞分裂和分化是一种保证了生物的功能性、均匀组织生长和组装的必要条件 。 微小的变异产生了区别个体的差异 ， 而显著的变化则导致物种间发育过程或组织发生更大的改变 。 此外 ， 时间上的异常也可能导致身体装配的缺陷 ， 导致一些功能上的障碍 。 因此 ， 理解时间信息是如何在发育中的系统中编码和读取的 ， 对于理解胚胎发生和进化变化的机制至关重要 。
Briscoe解释说 ， “发育时间“这个问题可以整体分为两个部分 。 首先 ， 身体发育的事件必须以正确的顺序展开：A在B之前 ， B在C之前 ， 以此类推 。 在整个发育过程中 ， 这些事件以正确的顺序在正确的时间上依次展开 。 科学家已经对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditiselegans）和果蝇（Drosophilamelanogaster）等生物进行了深入研究 ， 积累了大量关于这个问题的成果 。
例如 ， 果蝇的神经元是从名为腹神经索的一部分胚胎中的干细胞发育而来的 ， 这种发育有一个清晰的顺序 。 干细胞一个接一个地发育出具有不同特征的神经元 ， 所有这些神经元都是从同一个干细胞池中发育出来的 ， 只是发生的时间不同 。 一系列关键基因的活动负责指导这个过程 。
但是 ， 这个第二个方面更为神秘 。 分子过程设定了节奏 ， 使得不同物种的时钟运行得更快或更慢 。
科学家已经在各种组织中确定了时钟的类型 。 一般来说 ， 这样的分子计时器要么通过稳定增加一种关键的调节物的水平 ， 直到它超过一个阈值；要么逐渐降低一种抑制物的水平来“倒数” 。
例如 ， 大鼠使用递增计时器启动胚胎中的脑细胞发育 。 当细胞分裂时 ， 抑制细胞分裂的化学物质逐渐在一类大脑细胞的前体中形成 ， 这类前体名为少突胶质细胞 。 一旦抑制物达到一个关键的阈值水平 ， 大鼠大脑就会停止制造新的前体细胞 ， 而现有的细胞开始呈现出成熟的形态 。
相比之下 ， 非洲爪蟾（Xenopuslaevis）在细胞发育初期采用的是一种递减计时器 。 刺激细胞分裂的物质被快速分裂所稀释 ， 它们浓度不断降低 ， 进而导致分裂减慢 ， 下一阶段的胚胎发育随即开始 。
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