自然界中常见的缩放统计原理现在也出现在人类细胞中

导读 加拿大麦吉尔大学地球与行星科学系领导的研究发现,人类细胞似乎遵循整个生物体的细胞大小和计数的稳态模式。在《美国国家科学院院刊》上发...

加拿大麦吉尔大学地球与行星科学系领导的研究发现,人类细胞似乎遵循整个生物体的细胞大小和计数的稳态模式。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇题​​为“人类细胞计数和大小分布”的论文中,研究人员揭开了人类细胞组织类型之间数学对称性的神秘面纱,暗示了一种未知的发育机制,该机制似乎遵循一种结构化的机制。当然在自然界中常见。

这个有趣的发现是细胞大小和计数之间存在反比关系。随着细胞大小的增加,细胞计数减少,反之亦然,因此给定对数大小类别内的细胞对人体总细胞生物量的贡献相等。研究表明,这种关系适用于各种细胞类型和大小类别,表明这些变量之间存在权衡。

细胞大小和数量是人体生长和功能的重要因素。到目前为止,还没有研究探讨整个人体有机体的细胞大小和计数之间的关系。该团队从1,500多个已发表的来源中收集了主要细胞类型的细胞大小和计数的综合数据集。

数据显示,估计男性体内细胞总数约为36万亿个细胞,女性约为28万亿个细胞,十岁儿童约为17万亿个细胞。人体内细胞生物量的分布以肌肉和脂肪细胞为主,而红细胞、血小板和白细胞则很大程度上影响细胞计数。每种细胞类型通常都维持一个特征性的大小范围,该范围在个体的发育过程中是一致的,对于哺乳动物物种也是如此。

作者指出,“……尽管任何给定细胞类型的大小均一,但从红细胞到最大的肌纤维,细胞大小的变化范围高达七个数量级,相当于鼩鼱与鼩鼱的质量比。蓝鲸”,差异超过一百万倍。

整个人体细胞的大小分布是否遵循对数正态分布(类似于单一细胞类型),或者是否倾向于其他分布以及通过什么机制来控制这种分布尚不清楚。

观察到的细胞大小和计数之间反比关系的模式类似于齐普夫定律和泰勒定律,这两种缩放比例的统计原理在自然界中反复出现,从土壤中细菌的分布到海洋中鱼类的数量,甚至在语言文字使用和音乐中也能找到。

齐普夫定律描述了幂律分布,其中少数元素占数据集中出现的大多数。细胞大小和细胞计数之间的反比关系让人想起齐普夫定律,因为少量非常大的细胞(就大小而言)占细胞生物量的很大一部分,而许多较小的细胞则贡献于总细胞计数。

泰勒定律指出,群体内个体数量(或其他测量值)的方差随着该测量值的平均值上升到某个指数而变化。泰勒定律与不同细胞类型的大小和计数变化有关。研究发现,不同细胞类型的细胞大小变异系数(CV)大致保持不变,这意味着细胞质量方差随着平均细胞质量提高到一定程度而变化。

这些模式表明了人体和更广泛的自然系统中细胞大小和数量的组织和分布的重复原则。作者强调了整体有机体视角在理解人类细胞类型方面的重要性,特别是在人类细胞图谱等倡议的背景下。