通往胚胎之旅：探索生命的起点

优化的概念被认为是自然界许多惊人特征的基础，暗示宇宙倾向于最低能量、最佳输出或增强适应性的状态。从鲸鱼的 pods 到微小细胞的簇，生命的元素似乎被选择在接近峰值效率的情况下自我组织。

动物胚胎的进化，从一小团细胞过渡到复杂的生物体，可能也已经优化得近乎完美。然而，能够预测这种最佳结构的明确数学公式到现在为止仍然难以捉摸。

来自奥地利科学与技术研究所（ISTA）、法兰克福高等研究院和普林斯顿大学的物理学家们展示了这一点：一个理论模型，描述了果蝇早期胚胎发育的过程，历时近二十年开发而成。他们的综合模型成功地预测了控制发育初期阶段的基因调控网络的最佳配置。这些研究成果发表在《PNAS》上。

进化 = 优化

进化是每个生物体背后的核心力量。为了应对环境，一个生物体适应、生存，并承受选择压力。研究的首席作者托马斯·索科洛夫斯基表示：“适应可以被视为一种优化过程，或者至少是一个需要对某些属性和功能进行优化的过程。”

与物理系统相比，优化通常导致能量最小的稳定状态，而生物系统似乎提供了对类似挑战的多种最佳解决方案。例如，眼睛在不同物种中独立形成，但在不同生物体之间保持 remarkably 相似的结构。

“眼睛已经被优化以实现同一明确定义的目标函数，集中在最大限度地吸收光并将其转化为神经刺激。因此，它们受到基本物理原则的强烈影响。物种之间的细微差别通常可以归因于它们进化过程中所处的不同背景，”索科洛夫斯基补充道。

同样，各种策略已经发展出来用于胚胎的形成，所有这些方法都产生相同的结果：一个高度准确且可重复的身体结构。虽然这些方法可能已被进化为特定目的进一步优化，但确定哪个目标主导了优化过程可能是相当具有挑战性的。

“我们对胚胎发展的理解逐渐加深，但确定引导这一过程的确切数学函数仍然不清楚，”索科洛夫斯基评论道。“这就像在生物的干草堆中寻找一根数学针。”

果蝇

生物学家称之为果蝇的 Drosophila 被广泛研究，尤其是由于埃里克·维斯考斯、克里斯蒂安·纽斯林-福尔哈德和爱德华·B·路易斯在1995年获得诺贝尔奖的贡献。他们发现了控制果蝇准确发育的基本基因，尤其是“缺口基因”和调节它们的信号分子（形态发生素）的梯度。

缺口基因网络在形成胚胎的头尾轴向中至关重要。这一“基因定位系统”使个体细胞能够在适当的地点采用正确的命运，最终构建一个分段的果蝇身体。缺口基因之间的激活水平差异形成了一个极其精确的“位置信息编码”，为每个细胞提供了关于其在胚胎中位置的确切信息。

时光飞逝

二十年前，威廉·比亚莱克、加斯帕尔·特卡尼克、柯蒂斯·卡兰、亚历珊德拉·沃尔查克、托马斯·格雷戈尔等人的研究表明，果蝇的缺口基因网络已通过进化得到优化，以在使用有限的信号分子的情况下提供高位置信息——就像用最少的卫星提供准确的GPS信号一样。这一见解促使科学家们寻找一种解释这一现象的数学函数。

最初，特卡尼克和他的同事们研究了简化的理论模型，仅捕捉缺口基因网络调节机制的某些方面。他们逐渐增加模型的复杂性以增强现实性。虽然这些初步的“玩具”模型并未考虑缺口基因系统的所有特征，但为全面优化奠定了基础。

“我们的早期工作表明，通过在实际的生物物理和分子资源约束下优化以获得最大信息通量，推导出非平凡且意外准确的基因调控相互作用的预测是可行的，”特卡尼克表示。

随后，托马斯·索科洛夫斯基和他的团队检查了详细的随机模型——包含随机性的空间交互基因，类似于缺口基因。2014年，索科洛夫斯基加入特卡尼克小组，创造了将原始优化方法与深入的空间-随机建模结合的独特机会。他们迅速开发出一个与实际果蝇行为相符，同时计算效率高的模型。

该模型始于只包含两个基因的简化版本，后来扩展到包括四个相互作用的缺口基因和三个形态发生素梯度，理想地执行缺口基因系统的全面优化。“有趣的是，我们推导出的最佳网络与真实果蝇中观察到的空间基因表达模式的定义特征密切相关，”特卡尼克补充道。

多种“最佳”方式

此外，研究人员发现，在缺口网络内并非只有一种最佳的方法来编码位置信息。各种生物物理参数可以产生系统所需的最佳特性。虽然这些最佳解决方案仅是所有物理可行解决方案的微小部分，但它们表现出显著的多样性。

“我们认为这不是一个缺点，而是对进化的一种好处，因为同一水平的适应性可以通过许多可能的进化路径来实现，”索科洛夫斯基认为。“虽然导致我们今天研究的果蝇的进化遵循了一条特定的路径，但众多替代路线的存在可能使得这个生物体更容易获得高适应性。”选项越多，选择一个功能性选项的机会就越大。

为了更深入理解导致有效身体计划的过程，并更准确地反映实际的进化动态，研究人员需要进行超越仅仅数值优化参数的进一步建模。这将涉及考虑包括环境因素或自然选择机制等影响——这一前景在未来的理论生物学研究中既令人兴奋又挑战重重。