生命科学
Life science
浮游植物平均比海水重5%~10%,这意味着如果它们想留在水面进行光合作用,就必须找到一种最佳的重力方式。2024年10月17日,Cell Press细胞出版社期刊Current Biology发表了题为“Inflation-induced motility for long-distance vertical migration”的新成果。
“我们决定研究那些似乎没有游泳附属器官就可以游泳的生物。”论文通讯作者、美国斯坦福大学海洋生物学家和生物工程师Manu Prakash说,“我们发现,这些夜光藻细胞就像小潜艇,可以精确地控制它们的密度,以便选择它们在水中的位置。”
Prakash和斯坦福大学博士后Adam Larson,在夏威夷离岸水域的一艘研究船上偶然发现了夜光藻群,并意外地在捕捞网中发现了两种大小截然不同的藻类。“我们花了一段时间才弄清楚原因,我们录下了这些藻类大规模膨胀的视频。”Larson说,“它可能会突然发生,所以如果你在显微镜下睡10分钟,你就可能会错过。”
为了测试这种快速膨胀对浮游生物的影响,研究小组使用了他们的新型“重力机”。“重力机使我们能够在水柱中以亚细胞分辨率观察单个细胞。”Prakash说,“这有点像小鼠实验里的转轮,但只适用于单个细胞。它有餐盘那么大,可以旋转,所以细胞不知道自己在参照系中是否上升或下沉。”通过改变重力机内的水压和密度,该团队可以创造一个模拟海洋深度的虚拟现实环境。通过这台机器,研究小组发现,膨胀细胞的密度比周围的海水要小,这使它们能够漂向水面。
进一步的研究表明,这种膨胀是浮游生物细胞周期的自然组成部分。一旦单细胞浮游生物分裂成两个,一个叫做液泡的内部结构能使两个新细胞体积增长。这两个子细胞会充满较轻的淡水,向上漂动。“我们意识到,这是一种非常聪明的方法,实现在细胞分裂期间向上‘弹射’。那么,在正常时间会发生什么?细胞会制造大量的蛋白质,有大量的阳光,然后制造了大量的生物质,直到变重,下沉。然后,在更深的水域进行细胞分裂,循环往复。”Prakash说。
整个细胞周期大约需要7天,与浮游生物对光线和营养的垂直需求相吻合。Prakash说,“我认为这是我们第一次有明确的证据表明,作为控制细胞和细胞分裂基本机制的细胞周期,可能是由生态参数控制的。”
基于这些观点,研究团队使用理论框架发现驱动这种进化的基本限制是生态参数。“所有细胞都受到向下的引力,除非它们或后代进行反抗,否则它们将在引力拉扯中永远沉入海底。”该研究的联合第一作者、斯坦福大学博士后Rahul Chajwa说。现在,研究小组已经开发了一个数学框架,可以推广并应用于所有海洋浮游生物。
在未来的研究中,Prakash实验室将继续寻找浮游生物的秘密。“目前,我们的行为数据库中大约有600个物种,我们正在系统地测量各种机制。我们有一长串的生物要研究,因为海洋中生活着数百万种物种,这只是冰山一角。”
Prakash实验室的研究生李洪泉(音译)也是这项研究的作者之一。
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