英国布里斯托大学研究红细胞条纹模式揭示自然规律
条纹图案在自然界中极为常见——无论是鸟类与鱼群在集体移动时呈现的协调队列，还是人类指纹的独特纹路，亦或是斑马身上可识...
条纹图案在自然界中极为常见——无论是鸟类与鱼群在集体移动时呈现的协调队列，还是人类指纹的独特纹路，亦或是斑马身上可识别个体的黑白斑纹，这些规律性结构的形成机制一直令人着迷。长久以来，人们对其成因多有猜测，而一项来自英国布里斯托大学与德国萨尔兰大学的合作研究揭示：答案或许隐藏在我们每个人的血液之中——具体来说，是在红细胞内部。这一发现有望为血液疾病的诊断开辟新的路径。
近日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的研究论文指出，当红细胞在离心机中分离时出现的条纹状分布模式，并非如以往所认为的那样主要源于细胞老化导致的水分流失，而主要是由红细胞之间的相互吸引与黏附作用驱动的。这一结论修正了学界长期持有的观点。
论文共同通讯作者、布里斯托大学物理学讲师亚历克西斯·达拉斯博士解释说：“过去普遍认为，红细胞在其约三个月的生命周期内会因衰老而发生水分流失，导致密度变化，进而在离心过程中形成自上而下由轻到重的连续分布，并出现不规则的红白相间条纹——红色条纹为细胞聚集区，白色条纹则为细胞稀少区。但我们的研究挑战了这一看法，并证实真正导致条纹出现的关键因素是细胞间的聚集行为，而非水分差异。这是一个重要的修正，可能带来广泛的应用价值。”
在离心实验中，研究人员将红细胞置于密度梯度介质（由水、盐和纳米颗粒构成）中进行分离。共同通讯作者、萨尔兰大学博士生费利克斯·毛尔比喻道：“就像气象气球停留在大气中密度与其自身相等的平衡高度一样，红细胞在离心过程中也会分布在介质密度与自身平均密度相等的位置上。”
研究进一步显示，条纹图案的形成强烈依赖于细胞的数量规模。“这种规律性模式只有在大量细胞相互作用时才会显现。我们的实验中，试管内约有十亿个红细胞。当细胞数量减少时，我们观察到完全不同的行为——没有聚集发生，细胞均匀分散，也不会形成条纹。”费利克斯补充道。这意味着，典型的离心条纹实际上是海量红细胞在有限空间内相互黏附，并在重力（离心力）作用下集体排列的结果。
此项新认识有望推动针对某些血液疾病的新型诊断方法的发展，例如镰状细胞贫血。在这种疾病中，红细胞的形态发生改变，其流动与聚集特性也随之异常。萨尔兰大学物理学教授、共同通讯作者克里斯蒂安·瓦格纳指出：“例如，镰状细胞贫血患者的血液在离心后会呈现不同的条纹图案，而此前无人能确切解释其原因。”
研究的另一层意义在于为理解自然界中的模式形成提供了物理视角。为了从机理上阐释这类现象，研究团队基于动态密度泛函理论构建了一个数学模型，该理论能够根据粒子间的相互作用及其所处环境，预测粒子随时间的运动与排列方式。
瓦格纳教授说明道：“我们推导的方程，与描述斑马条纹、鸟群运动模式乃至指纹形成的方程具有相似性。在我们研究的案例中，细胞间的短程相互作用决定了条纹的优选宽度和间隔。鸟群同样展现出集体行为，依循简单的邻近规则形成宏观图案。类似原理也适用于指纹的发育过程。能够在实验室中通过对血细胞的观测，进而更深入地理解自然界的基本规律，这实在令人感到振奋。”
近日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的研究论文指出，当红细胞在离心机中分离时出现的条纹状分布模式，并非如以往所认为的那样主要源于细胞老化导致的水分流失，而主要是由红细胞之间的相互吸引与黏附作用驱动的。这一结论修正了学界长期持有的观点。
论文共同通讯作者、布里斯托大学物理学讲师亚历克西斯·达拉斯博士解释说：“过去普遍认为，红细胞在其约三个月的生命周期内会因衰老而发生水分流失，导致密度变化，进而在离心过程中形成自上而下由轻到重的连续分布，并出现不规则的红白相间条纹——红色条纹为细胞聚集区，白色条纹则为细胞稀少区。但我们的研究挑战了这一看法，并证实真正导致条纹出现的关键因素是细胞间的聚集行为，而非水分差异。这是一个重要的修正，可能带来广泛的应用价值。”
在离心实验中，研究人员将红细胞置于密度梯度介质（由水、盐和纳米颗粒构成）中进行分离。共同通讯作者、萨尔兰大学博士生费利克斯·毛尔比喻道：“就像气象气球停留在大气中密度与其自身相等的平衡高度一样，红细胞在离心过程中也会分布在介质密度与自身平均密度相等的位置上。”
研究进一步显示，条纹图案的形成强烈依赖于细胞的数量规模。“这种规律性模式只有在大量细胞相互作用时才会显现。我们的实验中，试管内约有十亿个红细胞。当细胞数量减少时，我们观察到完全不同的行为——没有聚集发生，细胞均匀分散，也不会形成条纹。”费利克斯补充道。这意味着，典型的离心条纹实际上是海量红细胞在有限空间内相互黏附，并在重力（离心力）作用下集体排列的结果。
此项新认识有望推动针对某些血液疾病的新型诊断方法的发展，例如镰状细胞贫血。在这种疾病中，红细胞的形态发生改变，其流动与聚集特性也随之异常。萨尔兰大学物理学教授、共同通讯作者克里斯蒂安·瓦格纳指出：“例如，镰状细胞贫血患者的血液在离心后会呈现不同的条纹图案，而此前无人能确切解释其原因。”
研究的另一层意义在于为理解自然界中的模式形成提供了物理视角。为了从机理上阐释这类现象，研究团队基于动态密度泛函理论构建了一个数学模型，该理论能够根据粒子间的相互作用及其所处环境，预测粒子随时间的运动与排列方式。
瓦格纳教授说明道：“我们推导的方程，与描述斑马条纹、鸟群运动模式乃至指纹形成的方程具有相似性。在我们研究的案例中，细胞间的短程相互作用决定了条纹的优选宽度和间隔。鸟群同样展现出集体行为，依循简单的邻近规则形成宏观图案。类似原理也适用于指纹的发育过程。能够在实验室中通过对血细胞的观测，进而更深入地理解自然界的基本规律，这实在令人感到振奋。”
