Many-body interactions between contracting living cells

在每一块活体组织中，从跳动的心脏到愈合的皮肤，单个细胞都在不断地相互推挤与拉扯。它们并非存在于真空之中；相反，它们被嵌入在一种被称为细胞外基质的柔软、胶状的支架中。这种环境不仅仅是消极的填充物，它是一种能够传递力的机械介质。当一个细胞收缩时，它会挤压周围的物质，产生向外传播的变形波纹。附近的其它细胞可以感受到这种挤压，就像一个人站在蹦床上的感觉，能感受到附近另一个人跳跃带来的震动一样。几十年来，科学家们已经了解到细胞可以感知这些机械信号并据此调整自身行为，这一过程被称为机械转导。然而，一个重大的问题一直是：当许多细胞同时参与其中时，这种感知是如何运作的？一群细胞感受到的总力，仅仅是像在秤上堆叠砝码那样简单相加吗？还是说，多个邻居的存在创造了一种更复杂的集体行为，这种行为无法仅通过观察细胞对来预测？

一个研究小组试图通过将一组活细胞建模为嵌入在无限线性弹性材料中的完美球体来回答这个问题。他们并没有将这些细胞想象成静态物体，而是将其视为能够产生自身内部力量的主动代理。在他们最简单的模型中，他们考虑了“死”细胞，即无论周围环境如何都施加恒定、不变力量的细胞。在这种情景下，细胞之间的相互作用是直接且可预测的；系统的总能量仅仅是每对相邻细胞之间相互作用的总和。然而，研究人员更感兴趣的是“活”细胞。这些细胞能够测量作用在其表面的力和变形，并主动调整自身的内部机制以维持特定的形状或位置。就像一个人可能会通过移动重心来保持在晃动的船上平衡一样，这些细胞会微调它们的收缩力，以抵消邻居造成的扭曲，从而确保尽管周围环境混乱，它们仍能保持完美的球形。

为了理解当三个或更多这类主动的、具有形状调节能力的细胞聚集在一起时会发生什么，研究人员进行了详细的理论计算。他们绘制了排列成直线的三细胞组、四细胞组以及无尽排细胞的力和位移图。他们将所有这些细胞同时相互作用时系统中存储的实际能量，与一个假设的情景进行了对比——即总能量仅仅是通过简单累加每对细胞之间的相互作用而计算出的能量。如果简单的加法规则成立，那么复杂的群体行为充其量不过是其组成部分的总和。然而，结果却揭示了一个令人惊讶的事实：整体并不等于部分之和。

研究发现，细胞调节其行为的方式从根本上改变了它们集体相互作用的性质。当细胞被设定为在保持形状的同时固定其空间位置时，该群体的总能量实际上低于通过累加两两相互作用所预测的能量。在这种情况下，第三个或第四个邻居的存在实际上降低了群体所需的总机械功。相反，当细胞被允许通过移动位置来维持形状时，该群体的总能量则高于两两相互作用预测的总和。这意味着对于会移动的细胞来说，集体相互作用产生了一种额外的机械负担，这种负担无法仅通过观察细胞对来解释。研究人员表明，这种偏离简单加法的现象并非微小的细节，而是一个由细胞主动调节驱动的重要效应。

团队还发现，细胞之间的距离以一种特定的方式发挥作用。对于保持位置固定的细胞，其相互作用能量随着距离的增加而迅速下降，遵循与距离的四次方相关的陡峭衰减关系。对于可以自由移动的细胞，能量下降得更快，遵循六次方关系。这种快速衰减意味着，这些复杂的、多细胞的相互作用在细胞紧密排列时最为显著，而这恰恰是密集生物组织中的情况。研究人员验证了无论是在观察由三个细胞组成的小组，还是模拟无限长的细胞行时，这些发现都成立，从而确认了这种效应是主动物质的一种基本属性，而非特定排列下的偶然现象。

最终，这项工作证明，不能通过孤立研究或仅研究两个细胞来完全理解活体组织的力学机制。细胞的主动调节性质引入了一个非线性的复杂层级，其中群体的行为源于每个个体的集体调整。尽管周围的材料表现出简单的线性特征，但细胞感知并响应其邻居的能力创造了一种复杂的、多体相互作用。这一发现表明，要真正理解组织如何形成、愈合或发挥功能，科学家必须考虑到这些高阶相互作用，即第三个细胞的存在改变了前两个细胞的互动规则。该研究为这些相互作用提供了一个清晰的数学框架，表明生命世界运行在超越简单加法的集体调节原则之上。