发育与再生过程中的生长与尺度调控

生命展现了自组织与涌现现象的迷人实例。在多细胞生物中，大量细胞相互作用，形成并维持具有明确尺寸的高度复杂身体蓝图。本论文研究了用于自组织身体蓝图模式形成与尺寸控制的理论反馈机制。该论文的灵感来源于扁形虫惊人的尺度调控与再生能力。这些蠕虫甚至能从微小的截肢碎片（如尾尖）完美再生出整个身体蓝图。此外，根据摄食条件，它们的体长可以增长和主动缩减超过40倍。这些能力提示了显著的自组织模式形成与尺度调控的物理机制。首先，我们探讨了先前用于描述生物模式形成的机制中模式尺度调控的基本原理与挑战。接着，我们提出了一类全新的模式形成机制，能够产生完全自组织且自适应的模式。该框架捕捉了扁形虫身体蓝图再生与尺度调控的基本特征。进一步地，我们分析了扁形虫的形状与运动能力。通过应用主成分分析，我们表征了不同运动模式下的形状动力学，并识别了不同扁形虫物种间的形状变异。最后，我们研究了细胞更新与生长的代谢控制。我们确定了三种代谢能量储存机制；其理论描述可以通过细胞尺度的规则解释所测得的生物体生长。在与实验生物学家的紧密合作中，我们将最简理论描述与最先进的实验及数据分析相结合。这使我们能够识别扁形虫可缩放身体蓝图模式形成与生长控制的通用原理。