水螅是一种生活在水中的小型无脊椎动物，是一种掠食性动物。它们呈管状，呈放射状对称，体长可达 10 毫米，有头部(大部分是嘴巴)、一只粘性足和触手。

在《PRX Life》杂志上发表的一项研究中，研究人员调查了水螅上的技术力量和反馈如何影响其身体结构。

它们之所以选择水螅，是因为它们具有再生能力，因为它们的大多数细胞都是干细胞，干细胞可以不断分裂，然后分化成任何身体细胞类型。事实上，水螅非常擅长再生，以至于它们似乎不会衰老，甚至可能是永生的，它们不断再生它们所需的任何细胞，即使是从最初的一小块组织中。

所有动物都拥有共同的身体结构，因为它们都来自共同的祖先，包括双侧对称、分节的身体和消化系统。数十亿年来，进化改变了它们的形状，形成了动物界中观察到的各种各样的身体形态。但这种生物模式的形成仍未得到很好的理解。

形态发生是导致细胞、组织或生物体形成其形状的生物过程。它涉及细胞、组织和器官的分化，从而导致发育中的生物体秩序的形成。

形态发生是发育生物学的一个基本方面，与组织生长控制和细胞分化并列。但如果生物体因外力而受到某种限制，该怎么办?

在这项研究中，以色列和德国的研究小组由以色列理工学院的 Yonit Maroudas-Sacks 领导，他们将水螅限制在一个狭窄的圆柱形通道中。该通道限制了动物的形态——生物体的形态和结构，以及其结构的特定特征。

密闭球体中的水螅形态。(A)正常形态，(B、C、D)多轴形态。图片来源：PRX Life (2024)。DOI：10.1103/PRXLife.2.043007

在该团队的早期工作中，他们专注于多细胞肌动球蛋白纤维阵列在水螅再生过程中引导和稳定体轴的作用。(肌动球蛋白是由两种相互作用的蛋白质肌动蛋白和肌球蛋白形成的复合物。它在肌肉收缩和细胞运动中起着至关重要的作用，肌球蛋白马达蛋白将肌动蛋白丝拉到位。)

水螅具有平行收缩的肌动球蛋白纤维，同一研究小组先前的研究发现，当组织节段与父母遗传的体轴对齐时，水螅的体轴就会再生。

他们决定研究肌动球蛋白纤维的取向场(其中包含局部无序区域，称为拓扑缺陷)与水螅形态发生的身体结构有何关联，而这在当时仍是未知数。

他们开发了一种以各向异性方式限制再生水螅的方法——限制在水螅平行纤维以外的轴上。这需要一种在几天内不会损害生物体组织或再生能力的限制方法。他们还需要在整个再生过程中进行高分辨率实时成像。

限制装置位于一个玻璃毛细管中，其内表面配备有小圆柱形通道，宽度为 120 至 300 微米，由球形组织样本和玻璃壁之间的硬凝胶制成。

当将 Hydra 组织引入所得到的通道时，将较软的凝胶推入边缘的通道腔中以创建 Hydra 可用的宽度，同时注意不要在软凝胶插入过程中撕裂组织。

这减少了组织沿圆柱轴的运动，大约有 20 到 50 个细胞沿着腔体的圆周(典型的细胞大小为 20 微米)，同时允许球形组织展开并再生为细长的椭圆形。

一段时间后，再生组织填满了可用的通道，然后随着体柱变得比通道窄而形成嘴和触手，并且动物与通道壁分离。

这样，约束体轴和继承体轴之间就会形成一个角度。继承体轴和通道轴之间的相对角度取决于水螅组织球体进入通道的方向，其继承轴与通道轴平行或垂直。

通道壁对组织几何形状施加的限制影响了水螅组织所经受的机械应力模式，包括管道两侧的静水压力梯度和频繁发生的肌肉收缩。

研究小组发现，身体轴和肌动球蛋白纤维强烈倾向于与通道的“易轴”对齐，一个头和一个脚沿着通道轴。但如果初始组织垂直于通道轴，就会形成不同的身体结构。

他们写道，“最初以主要纤维排列垂直于通道方向的样本通常会再生为多轴形态。”

但如果这些动物的长度与通道轴垂直，那么它们大多由拥有两个头的动物组成，而且通常不止一只脚。这些多种形态特征并非沿着单一轴线排列，而是在纤维组织中具有特定拓扑缺陷的轴线交界处排列。