动物体形呈现高度多样性，从海星到蚯蚓、鼠类或人类差异显著；即便同属刺胞动物门的珊瑚、水母与海葵，形态也相去甚远。欧洲分子生物学实验室（EMBL）研究人员与日内瓦大学合作者在《Cell》发表的一项研究提出，这类形态差异可由组织的机械特性差别所决定，研究团队将其概括为“机械型”（mechanotype）。

研究团队指出，物理学影响生物形态的观点由来已久。一个多世纪前，苏格兰生物学家兼数学家达西·汤普森在《论生长与形态》中强调物理定律对生物结构塑造的重要性。相比之下，传统关于体形进化与多样性的研究更多聚焦遗传学：基因型在生长发育中发挥关键作用，但仅凭基因信息难以解释组织在形态发生过程中如何弯曲、拉伸与重组。

EMBL海德堡组长、该研究资深作者之一艾萨姆·伊克米（Aissam Ikmi）表示，比较基因组学能够揭示与形态差异相关的遗传变化，但基因本身无法直接说明形态发生如何展开，即使掌握基因组信息，也难以据此预测最终形态。

以刺胞动物为模型建立力学框架

为在组织尺度上解释形态发生，研究团队引入机械生物学视角，关注发育过程中由组织集体产生的力与机械约束。伊克米团队认为，形态发生往往并非由单个细胞主导，而是由组织层面的集体力学行为推动，不同物种体形差异可能正是在这一层面形成。

在模型系统选择上，团队采用刺胞动物作为研究对象。刺胞动物包括珊瑚、水母与海葵，幼体与成体阶段均呈现丰富的体形变化，同时结构相对简单，便于开展比较研究。为构建解释形态差异的物理框架，日内瓦大学的吉约姆·萨尔布勒克斯（Guillaume Salbreux）及其博士后尼古拉·库尼（Nicolas Cuneo）提供理论物理与数学支持，数学家、前EMBL博士后理查德·贝约尔（Richard Behringer）亦参与相关工作。

萨尔布勒克斯表示，物理学研究复杂系统时常采用少数关键参数来刻画涌现特征；研究团队认为，这一思路同样适用于刺胞动物的形态多样性。

三个“机械模块”解释伸长与极性

研究基于对六个物种的实验观察——两种珊瑚、两种海葵与两种水螅——提出由三个“机械模块”构成的框架。研究人员称，这些模块的不同组合能够解释两项关键形态特征：伸长与极性。

其中，伸长用于描述身体沿主轴方向的拉伸或紧凑程度；极性则刻画动物的非对称性，即口部所在的顶部相对基部更宽或更窄。研究人员通过在模型中调整各机械模块的参数，获得不同伸长与极性的预测，并将每个物种对应的独特参数组合定义为其“机械型”。

伊克米表示，机械变化最终源自分子层面的变化，但“机械型”提供了一个将这些信息转化为形态预测的组织尺度框架；团队认为，进化可能通过作用于这些模块而产生新的形态。

“重塑”实验验证可预测与可操控性

为检验改变“机械型”是否会引发形态变化，研究团队对海葵Nematostella开展了系列实验。研究称，Nematostella幼体通常呈伸长形态，且口部端较窄；当研究人员引入影响其中一个机械模块（向列序）的遗传变化后，幼体形态由伸长转为更圆。

在极性改变方面，研究人员表示需要同时扰动多个模块，才能使Nematostella的极性发生变化，并呈现出类似另一物种Aiptasia的形态。

研究团队称，这些“重塑”实验显示，结合“机械型”与主动表面模型可对形态进行定量预测与操控，同时也表明不同形态维度在由机械模块组合所决定的复杂性上存在差异。

库尼表示，该研究的核心成果之一，是在中观物理原理层面验证并推进了达西·汤普森早期提出的观点。研究团队同时指出，多学科合作在回答基础生物学问题时具有重要作用。

研究人员表示，后续将继续拓展对形态与多样性起源的研究，下一步计划聚焦刺胞动物生命周期中的水螅体阶段，并扩大比较研究的物种范围。