大自然为何将人的心脏放在左边?动物也是如此吗?

大自然为何将人的心脏放在左边?动物也是如此吗?
大自然为何将人的心脏放在左边?动物也是如此吗?

大自然为何将人的心脏放在左边?动物也是如此吗?
简单回答：因为人体的内脏分布是左右不对称的.得,你肯定不满意,
这不是废话吗,为什么人体的内脏分布就不对称?回答：这是在人体
发育的过程中就决定的.废话,冲这回答你又有得说了,人体的眼睛,
耳朵,四肢等等包括整个体态都是左右对称的,为什么单单在发育过
程中内脏的分布就会左右不对称呢?
你算是问到一个重要的发育生物学问题了,就是生物体的左右不对称
性是怎么产生的.比如脊椎动物的发育,胚胎的整个体态在早期一直
是保持左右对称的,到了肠胚期,内脏的原胚比如早期的心脏,肠道
等的位置开始表现出在胚胎中的左右不对称分布.在一个原本左右对
称的胚胎里,像内脏发育这样的左右不对称性是怎么建立的?既然早
期的胚胎左右完全对称,凭什么胚胎能知道那是左边,那是右边?
这个问题很难,很难,很难.伟大的发育生物学家们直到1995年,才
搞出一点名堂.他们发现,有几种蛋白,在肠胚期胚胎里的表达是左
右不对称的,进一步的研究发现,早期心脏发育时从胚胎的中心位置
翻转到左侧这个过程,正和这些蛋白在胚胎里的表达位置有关系.这
算是在分子水平,首次阐明了胚胎的左右不对称性.
可是,这仅仅是个开始,进一步的问题马上就来了：又是什么机制导
致这些蛋白在胚胎中的表达会左右不对称呢?要解答这样的问题,该
着遗传学家登场了.遗传学家们的拿手好戏就是找突变体.心脏总长
在左边不是?那好,带着变态心理的遗传学家们就反着来,他们在带
着各种各样基因突变的老鼠里仔细找,看看有没有那个基因突变,会
让老鼠的内脏分布从左右不对称变成随机分布.
遗传学家们的运气不错,果然找到一种带有叫做iv基因突变的老鼠,
其内脏的分布是左右随机的.这说明什么呢?说明iv基因很可能和左
右不对称性的建立有重要关系,一旦没有了iv基因的功能,胚胎就无
法建立左右不对称性,胚胎在发育时分不清左右,内脏的分布也就左
右随机起来了.
遗传学家们费老鼻子劲儿克隆了这个iv基因,期间的千辛万苦和血泪
历史我们就不提了.长话短说,他们发现这个基因表达的是一个叫做
“左右dynein”的蛋白,简称LRD（left-rigth dynein）.这个LRD是干
什么的?原来有些细胞的表面会长出叫纤毛的结构,纤毛会不断的朝
一个方向摆动或旋转,而这个LRD就和纤毛的运动有关系,没有了LRD,
细胞上的纤毛就不动了.
等一等,你觉得必须提醒我了,伙计,跑题了吧?我们在谈动物的左
右不对称性,你怎么扯到纤毛上去了?
精彩的部分就在这里.一开始,遗传学家们也蒙了,这细胞动
纤毛和心脏长左边,八杆子也打不着啊.这玩遗传学也真是 a box of
chocolates,you never know what you gonna get.不过几个聪明的哥们
不泄气,把老鼠的胚胎看了一遍又一遍,终于发现了门道.
原来,很多胚胎细胞也长有纤毛,更关键的,肠胚期胚胎有个对体态
形成和发育有关键作用的结构叫node,长在胚胎表面的中线上.在组
成node的细胞的表面,有很多纤毛,这些纤毛全都按反时针方向摆动,
让细胞表面的液体产生一个向左的流动.
不要小看这个流动!因为早就知道胚胎细胞会分泌很多信号蛋白到细
胞表面的液体中,纤毛所导致的这个单向液体流动,会让细胞表面液
体里包含的某些信号蛋白集中在胚胎表面的左边而不是右边.而胚胎
左侧信号蛋白的相对浓度高于右边,正是胚胎最早的左右不对称性来
源.在这个基础上,左右两边的胚胎细胞就会受信号蛋白的不同调控
而表达出不同的蛋白,再进一步导致两边脏器发育的不对称性.LRD
缺陷的老鼠,node的纤毛不动了,细胞表面的液体也就静止了,液体
里的信号蛋白的分布就会变得左右均匀,于是胚胎的左右不对称性就
建立不起来了.
当然,我这里介绍的只是粗略的粗略,大概的大概,要弄清所有的细
节,发育学家们和遗传学家们还有很多工作要做.但可以说,对脊椎
动物发育的左右不对称性是怎么建立的,我们终于开始有了一个大致
完整的框架：胚胎上有node,node上有细胞,细胞上有纤毛,这些纤
毛都朝同一个方向摆动,而正是这些几乎看不见纤毛的单向摆动,成
为了胚胎打破左右对称格局的原动力,从而最终决定了你的心脏只长
在左边而不是右边.一个复杂的发育生物学问题,最后归结为纤毛运
动这样一个小小的生物力学（biomechanical）问题.自然设计的美妙,
是让上帝也要惭愧的.
参考文献：
Fluid Flow and Broken Symmetry.C.D.Stern.Nature 418:29-30 (2002)