综述：形态发生的力学机制作为进化改变的潜在基础

本综述系统探讨了发育过程中机械力与分子遗传机制之间的双向交互作用，为进化发育生物学提供了全新视角。文章强调物理力量（如细胞粘附力、细胞骨架张力）不仅执行基因指令，更能主动调控基因表达（如β-catenin核转位）和染色质空间构象，揭示了形态发生（Morphogenesis）过程中力学-生化耦合调控的深层机制，为理解生物形态进化提供了超越基因中心论的新范式。

　　

机械控制基因表达

组织尺度形态发生

近期研究表明，机械力在胚胎发生过程中发挥着决定性作用。禽类胚胎原条形成过程中，不对称的收缩性肌动球蛋白环产生的组织尺度力学不对称性，直接调控早期命运决定基因的空间表达模式。扰动这种收缩性会导致异位胚胎形成，证明几何力学模式（而非单纯力的存在）对基因表达具有指导作用。

β-连环蛋白（β-catenin）作为连接蛋白和转录因子的双功能分子，在机械力依赖的胚层特异性中扮演关键节点。从两侧对称动物（如果蝇和斑马鱼）到刺胞动物（如星状海葵），β-catenin均响应组织机械力而激活中胚层基因表达，暗示这种机制在动物进化史上可能具有古老起源。然而其具体力学耦合机制和下游信号通路在不同物种间并不保守：非洲爪蟾中β-catenin活性调控背腹轴模式和组织运动，而鹌鹑胚胎中抑制其活性并不影响原条形成的组织流，表明其在脊椎动物各谱系中的功能输出发生了进化改变。

核内力传导

机械力对基因表达的调控不仅通过转录因子激活，还通过改变基因组三维空间构象实现。真核基因组具有从DNA环域到染色体尺度的多层级空间组织结构，染色质的凝聚状态直接决定基因对转录因子的可及性。中国仓鼠卵巢细胞实验表明，施加应力的角度和持续时间通过预先存在的肌动蛋白应力纤维介导，直接控制染色质拉伸程度和靶基因表达水平。

人间充质干细胞向成骨细胞分化过程中，核粘弹性特性随着染色质凝聚度和DNA包装方式的改变而逐渐变化。弱力（皮牛顿级别）即可引起基因组位点的大尺度移动，使基因组区域重新定位而更易接触转录因子。更持久的变化包括组蛋白去乙酰化酶HDAC3的核输入导致组蛋白去乙酰化和染色质凝聚，以及通过microRNAs（如miR-21）和YAP/TAZ通路成员介导的机械"记忆"效应，这些改变可在机械刺激消失后维持数天。

跨细胞、组织和物种的保守形态发生材料

组织水平行为协调：通过细胞间粘附调节肌动蛋白动力学

钙粘蛋白（Cadherin）家族粘附分子（如E-钙粘蛋白）通过其胞内结构域与皮层肌动蛋白的机械耦合，实现上皮片层等组织的机械连续性。这种连续性对拓扑等效过程（如果蝇背向闭合、脊椎动物神经管闭合和伤口愈合）中超细胞肌动蛋白电缆的形成至关重要。

接触抑制性运动（CIL）现象展示了细胞集体迁移的机械反馈机制，迁移细胞在碰撞时通过接触区细胞粘附分子驱动肌动蛋白同步重组，形成瞬时应力纤维指导细胞排斥。在集体迁移过程中，通过肌动蛋白及其调节因子在迁移集群两端的不对称定位建立细胞极性，出现领导细胞和跟随细胞表型分化。果蝇卵室边界细胞迁移研究表明，仅领导细胞形成显著突起，而膜突蛋白（moesin）抑制跟随细胞的突起活动，E-钙粘蛋白介导的机械耦合使迁移细胞簇表现为一个整体运动单元。

细胞水平机械应力感知：机械敏感离子通道

Piezo家族机械敏感离子通道是细胞感知外部机械应力的关键分子。Piezo1响应血流剪切应力而开放，允许Ca²⁺内流，作为内皮细胞排列和迁移的关键信号，其活性与肌动蛋白动力学相关联：膜张力影响Piezo通道激活，而膜曲率与膜中Piezo通道数量负相关。

鸭类研究表明Piezo2表达水平与机械敏感神经元数量正相关，触觉觅食依赖程度高的鸭种在三叉神经节中具有更多Piezo2表达神经元，且与伤害性神经元数量减少相偶联，提示感觉进化中可能存在此消彼长的权衡机制。

粘弹性：细胞骨架的热力学视角

细胞排序过程与表面张力驱动的同型聚集具有惊人相似性。钙粘蛋白等细胞间粘附分子与细胞内肌动球蛋白细胞骨架的机械耦合，意味着肌动球蛋白收缩性的变化直接影响细胞粘附强度，反之亦然。

早期果蝇胚胎研究表明，合胞体胚胎主要表现粘性行为，微管贡献于粘性模量；后期囊胚层细胞质仍以粘性为主，但皮层在四分钟时间尺度上对外力呈现弹性响应。细胞质粘度高达水的1000倍。对于涉及数千细胞的大尺度形态发生过程，基于上皮片层几何特性（如膜曲率）估算膜张力和细胞内压力的物理启发模型，为推断组织尺度形态发生的驱动力提供了可行方案。

未来方向

开发寻找形态发生力学驱动者的系统方法

当前研究主要采用"候选方法"发现机械机制，未来需要开发机械参数的系统性分析方法：一是通过正向遗传筛评估已知机械参数的影响；二是开发形态发生测定方法，系统测试经典牛顿力与发育过程的相关性；三是通过机器学习构建拓扑相似的细胞/组织形态集合，寻找跨物种的通用力学原理。

检测物种间和物种内形态发生力学的自然变异

需要建立活体组织相关特性的测量新方法，跨分类群比较这些特性和机制，以及在单物种内筛选调控形态发生力学机制关键参数的变异程度，从而评估这些机制的进化潜力和限制因素。