6 月，100 名果蝇科学家齐聚希腊克里特岛，参加两年一度的会议。 其中包括哈佛大学的加拿大遗传学家 Cassandra Extavour。 她的实验室与果蝇一起研究进化和发育——“evo devo”。 大多数情况下，这些科学家选择黑腹果蝇物种作为他们的“模式生物”——一种有翅膀的主力，至少在一些昆虫研究中担任过昆虫合作者。 诺贝尔奖 在生理学和医学。
但 Extavour 博士也以培育替代物种作为模式生物而闻名。 她特别热衷于蟋蟀，尤其是双斑蟋蟀，这是一种双斑蟋蟀，尽管它在果蝇的追随者附近还没有任何乐趣。 （大约 250 名主要调查人员已申请参加在克里特岛举行的会议。）
“这太疯狂了，”她在酒店房间接受视频采访时说，一边拍打着一只甲虫。 “如果我们试图与所有研究这种蟋蟀物种的实验室负责人开会，我们可能会有 5 人，或者 10 人。”
Extavour 博士的研究针对的是基本原理：胚胎是如何工作的？ 这可能揭示第一只动物是如何形成的？ 每个动物胚胎都遵循类似的过程：一个细胞变成多个，然后它们在卵子表面排列成一层，为所有成年身体部位提供早期蓝图。 但是胚胎细胞——具有相同基因组但并不都对这些信息做同样事情的细胞——是如何知道去哪里和做什么的呢？
“这对我来说是个谜，” Extavour 博士说。 “那总是我想去的地方。”
Seth Donoughe 是芝加哥大学的生物学家和数据科学家，也是 Extavour 博士实验室的校友，他将胚胎学描述为研究发育中的动物如何“在正确的时间、正确的地点制造正确的部分”。 在一些以蟋蟀胚胎的奇妙视频为特色的新研究中——显示某些“正确的部分”（细胞核）在三个维度上移动——Extavour 博士、Donoughe 博士和他们的同事发现，好的老式 几何学 扮演主角。
人类、青蛙和许多其他被广泛研究的动物一开始是一个单细胞，它会立即一次又一次地分裂成单独的细胞。 在蟋蟀和大多数其他昆虫中，最初只是细胞核分裂，形成许多细胞核，这些细胞核在共享的细胞质中穿行，后来才形成它们自己的细胞膜。
2019 年，杜克大学定量发育生物学家 Stefano Di Talia， 研究了果蝇细胞核的运动 并表明它们是由细胞质中的脉冲流携带的——有点像树叶在缓慢流动的溪流的漩涡中移动。
但是在蟋蟀胚胎中还有其他一些机制在起作用。 研究人员花了数小时观察和分析原子核的微观舞蹈：发光的小核以一种令人费解的模式分裂和移动，不是完全有序的，也不是完全随机的，方向和速度各不相同，相邻的原子核比更远的原子核更同步。 表演掩盖了超出单纯物理或化学的编排。
“原子核所呈现的几何形状是它们能够感知和响应附近其他原子核密度的结果，”Extavour 博士说。 Di Talia 博士没有参与这项新研究，但发现它在移动。 “这是对具有重要生物学意义的美丽系统的一项美丽研究，”他说。
原子核之旅
板球研究人员起初采用了一种经典的方法：仔细观察并注意。 “我们只是看着它，” Extavour 博士说。
他们使用激光片显微镜拍摄视频：在胚胎最初 8 小时的发育过程中，每 90 秒捕捉一次细胞核的舞蹈，在此期间，大约 500 个细胞核聚集在细胞质中。 （大约两周后蟋蟀孵化。）
通常，生物材料是半透明的，即使使用最强大的显微镜也很难看到。 但是，时任 Extavour 博士实验室的博士后、现为日本冈崎国立基础生物学研究所的发育生物学家的中村太郎设计了 一种特殊的蟋蟀 与核 发光的荧光绿. 正如 Nakamura 博士所说，当他记录胚胎的发育过程时，结果“令人震惊”。
Donoughe 博士说，这是探索过程的“起点”。 他转述了科幻作家和生物化学教授艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的一句话：“通常，你不是在说‘尤里卡！’ 当你发现某些东西时，你会说，‘嗯。 这很奇怪。’”
最初，考虑到胚胎的大小约为一粒（长粒）米的三分之一，生物学家开始循环观看这些视频，这些视频被投影到会议室的屏幕上——相当于 IMAX 的板球。 他们试图检测模式，但数据集是压倒性的。 他们需要更多的量化知识。
Donoughe 博士联系了现在威斯康星大学麦迪逊分校的应用数学家 Christopher Rycroft，并向他展示了跳舞的原子核。 ‘哇！’ 莱克罗夫特博士说。 他从未见过这样的事情，但他认识到数据驱动合作的潜力。 他和当时 Rycroft 博士实验室的博士生 Jordan Hoffmann 加入了这项研究。
在无数次放映中，数学生物团队思考了许多问题：那里有多少个原子核？ 他们什么时候开始分裂的？ 他们往什么方向走？ 他们最终去了哪里？ 为什么有的在拉扯，有的在爬行？
Rycroft 博士经常在生命科学和物理科学的十字路口工作。 （去年，他发表了关于物理学 纸皱.) “数学和物理学在推导广泛适用的一般规则方面取得了很大成功，这种方法也可能有助于生物学，”他说； Extavour 博士也说过同样的话。
团队花了很多时间在白板上旋转想法，经常画图。 这个问题让 Rycroft 博士想起了一个 Voronoi 图，一个 几何结构 它将空间划分为不重叠的子区域——多边形或 Voronoi 单元，每个单元都从一个种子点发出。 这是一个多才多艺的概念，适用于星系团、无线网络和森林树冠的生长模式等多种多样的事物。 （树干是种子点，树冠是 Voronoi 细胞，紧密依偎但不相互侵犯，这种现象称为树冠害羞。）
在板球环境中，研究人员计算了每个细胞核周围的 Voronoi 细胞，并观察到细胞的形状有助于预测细胞核接下来的移动方向。 基本上，多诺博士说，“原子核倾向于移动到附近的开放空间。”
他指出，几何学提供了一种思考细胞力学的抽象方式。 “在细胞生物学的大部分历史中，我们无法直接测量或观察机械力，”他说，尽管很明显“马达、挤压和推动”在起作用。 但是研究人员可以观察到由这些细胞动力学产生的高阶几何图案。 “所以，考虑到细胞的间距、细胞的大小、细胞的形状——我们知道它们来自非常精细的机械约束，”多诺博士说。
为了从板球视频中提取这种几何信息，多诺博士和霍夫曼博士一步一步地跟踪细胞核，测量位置、速度和方向。
“这不是一个简单的过程，它最终涉及多种形式的计算机视觉和机器学习，”现在在伦敦 DeepMind 工作的应用数学家霍夫曼博士说。
他们还手动验证了软件的结果，点击了 100,000 个位置，通过空间和时间将细胞核的谱系联系起来。 霍夫曼博士觉得这很乏味。 Donoughe 博士将其视为玩电子游戏，“在单个胚胎内的微小宇宙中高速放大，将每个原子核旅程的线索缝合在一起。”
接下来，他们开发了一个计算模型来测试和比较可能解释原子核运动和定位的假设。 总而言之，他们排除了 Di Talia 博士在果蝇中看到的细胞质流动。 他们反驳了随机运动和原子核物理相互推开的观点。
相反，他们通过建立在果蝇和蛔虫胚胎中的另一种已知机制得出了一个合理的解释：细胞质中的微型分子马达从每个细胞核中延伸出微管簇，与森林树冠相似。
该团队提出，一种类似类型的分子力将蟋蟀核吸引到空置的空间中。 “这些分子很可能是微管，但我们不确定这一点，”Extavour 博士在一封电子邮件中说。 “未来我们将不得不做更多的实验来找出答案。”
多样性的几何
这个装置让 Donoughe 博士完成了将人类头发绕在蟋蟀蛋周围的繁琐任务——从而形成两个区域，一个包含原始细胞核，另一个是部分夹断的附件。
然后，研究人员再次观看了核编排。 在原始区域，一旦达到拥挤密度，原子核就会减速。 但当一些原子核从收缩处的隧道中潜入时，它们又加快了速度，就像在开阔的牧场上的马一样放松。
Donoughe 博士说，这是最有力的证据表明，原子核的运动是受几何形状控制的，并且“不受全球化学信号、流动或几乎所有其他可能合理协调整个胚胎行为的假设的控制。”
到研究结束时，该团队已经在 10 个硬盘驱动器上积累了超过 40 TB 的数据，并改进了一个计算几何模型，该模型添加到了板球的工具包中。
Extavour 博士说：“我们希望让蟋蟀胚胎在实验室中更通用，”也就是说，在生物学更多方面的研究中更有用。
Extavour 博士说，该模型可以模拟任何卵的大小和形状，使其成为“其他昆虫胚胎的试验场”。 她指出，这将使比较不同物种和更深入地探索进化历史成为可能。
但所有研究人员都同意，这项研究的最大回报是协作精神。
“有专门知识的地方和时间，” Extavour 博士说。 “与科学发现一样，我们需要让自己接触那些对任何特定结果没有像我们那样投入的人。”
Extavour 博士说，数学家提出的问题“没有各种偏见”。 “这些是最令人兴奋的问题。”