18世纪义大利生物学家Lazzaro Spallanzani 首次发现某些脊椎动物（如蜥蜴和蝾螈）具有很强再生能力，他仔细纪录了一个奇特现象──受伤越重，再生越快。切除手臂引起的再生反应，比只切除手指所引起的再生反应要快上许多。这些动物如何侦测受伤发生的位置？复杂组织的再生速度如何调控？为什么会再生的动物都可以观察到类似的反应？因为研究模型和工具的限制，生物学家至今对此一现象仍然了解的很少。

陈振辉团队利用斑马鱼的尾鳍作为模型，开发活体影像工具，探究脊椎动物如何再生复杂组织。实验室的博士生黎马可（Marco P. De Leon）意外注意到，不同的受伤程度会产生不同的伤口愈合反应。在细胞的层级，失去的组织越多，参与伤口愈合的细胞就越多，快速移动的上皮细胞呈现出像是波的运动行为。经由与林耿慧及其团队成员温福来博士持续近六年的合作研究，他们发现波的传递距离，与被切断尾鳍的长度成正比。但是这个波的本质是什么？是化学波还是机械波？

 

参与伤口愈合的上皮细胞
参与伤口愈合的上皮细胞

林耿慧设计实验，验证波速会受到组织张力的影响，波的传递会互相干涉，支持这个波是机械波。温福来建立理论模型预测波的行为，发现细胞之间有如弹簧的耦合，机械因素例如阻力的梯度变化，是限制波传递的关键。他们还发现上皮细胞里过氧化氢的新功能。作为受伤讯号，过氧化氢可以反映受伤程度、即时控制上皮细胞的移动速度，进而影响波的传递距离。

陈振辉表示，跨领域的合作需要「不寻常的勇气」，生物学家和物理学家讲的是完全不同的学术语言，也有不同的思考方式。他说：「不知道开了多少次会，逐字逐句争执论文里的用字。但是神奇的是，物理学家有一种与生俱来的直觉，可以看到复杂生物现象背后的运作原理，设计出生物学家意想不到的简单实验来验证」。共同通讯作者林耿慧表示，如果没有理论模型，很难推论出复杂因素对于系统的影响；没有精确的量化，无法看到趋势和测试理论模型；没有分子生物技术，无法操纵变因。

 

中研院院细胞与个体生物学研究所陈振辉副研究员及物理研究所林耿慧副研究员组成的跨领域团队。
中研院院细胞与个体生物学研究所陈振辉副研究员及物理研究所林耿慧副研究员组成的跨领域团队。

「当代生物学已经演进成量化的科学，要用数学模型来解释生物现象；当代的生物物理也演进到在活体系统中寻找物理原则，这些新兴的课题都不在传统学科领域的范畴。整合性、跨领域的合作虽然深具挑战性，但是也会带来解决关键问题的机会」。这项研究是首次在活体动物身上验证细胞群体运动之「机械波」的存在，解释了Spallanzani发现的奇特现象──会再生的动物可以利用「机械波」侦测受伤发生的位置，以控制相对应的伤口愈合和再生反应。  

本论文第一作者为本院国际研究生学程的博士生黎马可和国立台北教育大学的助理教授温福来，研究团队包括Giovanni J. Paylaga、王盈婷、阮筱彧、王崇翰、萧崇德、林耿慧、陈振辉。

中研院 斑马鱼
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