秀丽隐杆线虫原肠胚形成过程中的自发力学与能量状态转变

原肠胚形成，即细胞内化，是从蠕虫到人类后生动物发育过程中的重要里程碑，它生成具有不同细胞命运和空间组织的多个胚胎层。尽管已知许多分子活动促进该过程，本文我们聚焦于线虫秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的原肠胚形成，并从理论上证明，即使在受限空间内分裂、仅具有各向同性排斥和吸引相互作用的一群细胞，也能经历此类内化行为。随着细胞数量增加和细胞尺寸减小，与卵壳接触的细胞彼此更靠近，侧向压缩更剧烈，而一个内化的细胞可有效增大细胞邻间距并降低系统的势能。多细胞结构从单层自发转变为双层，并在 15 至 44 细胞阶段存在双稳态，接近体内的原肠胚形成时机。具体而言，尺寸较大或位于较小曲率边界附近的细胞更易内化。主动调控少数细胞的内化可使形态发生具有抗噪声性。我们的工作成功重现了秀丽隐杆线虫原肠胚形成的关键特征，并合理阐释了该现象如何涌现及被最优编程。