身體瞬間變長(zhǎng)三十倍神奇生物的秘密終于解開(kāi)了

在自然界中， 一些動(dòng)物（ 例如食蟻獸） 會(huì)伸出長(zhǎng)長(zhǎng)的舌頭用于捕獵。這種特殊功能增加了動(dòng)物個(gè)體覓食的范圍，讓它們獲得更大的生存優(yōu)勢(shì)。

動(dòng)物界的這種行為相信不少讀者都不陌生， 但如果做到這一點(diǎn)的， 僅僅是一枚單細(xì)胞生物呢？

天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)屬于原生生物， 作為一種單細(xì)胞的纖毛蟲(chóng)， 它們具有非常獨(dú)特的捕食技巧。正常情況下， 其細(xì)胞形態(tài)有點(diǎn)類(lèi)似于淚滴狀， 顯然稱(chēng)不上特殊。但在捕食時(shí)， 它們形似長(zhǎng)頸的吻（ 用于吸附食物的工具） 會(huì)突然向隨機(jī)方向伸長(zhǎng)，用來(lái)搜尋、捕獲食物。

這些細(xì)胞的體長(zhǎng)只有40微米，在不到30秒的時(shí)間內(nèi)，它們的長(zhǎng)吻卻可以拉伸至1200微米，相當(dāng)于自身體長(zhǎng)的30倍！完成覓食后，這個(gè)結(jié)構(gòu)又以相同的速度收縮回去。而且，這項(xiàng)能力不是一次性的，它們一生中可以伸縮超過(guò)2萬(wàn)次并且不出故障，可以稱(chēng)得上經(jīng)久耐用。

問(wèn)題自然來(lái)了——這些連神經(jīng)系統(tǒng)都沒(méi)有的生物，是如何做到這一點(diǎn)的？具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的吻平時(shí)儲(chǔ)存在哪里，又是如何反復(fù)伸展、收縮的？

近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)的普拉卡什教授與研究生福萊姆從亞細(xì)胞層面解開(kāi)了真相。研究發(fā)現(xiàn)，這種纖毛蟲(chóng)的細(xì)胞膜擁有一種類(lèi)似于折紙的機(jī)制，這些“折痕”的存在使得長(zhǎng)吻可以在折疊與展開(kāi)的狀態(tài)之間迅速來(lái)回切換。這一發(fā)現(xiàn)不僅破解了天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)的秘密，還有望在微型機(jī)器人等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

對(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)， 這個(gè)問(wèn)題其實(shí)屬于細(xì)胞形態(tài)動(dòng)力學(xué)的范疇。要探索這種極限的形態(tài)動(dòng)力行為， 前提自然是看清細(xì)胞的形態(tài)變化。在該研究中，通過(guò)利用實(shí)時(shí)活體成像、共聚焦和透射電子顯微鏡等技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)繪制了天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)的亞細(xì)胞成分， 包括皮質(zhì)細(xì)胞骨架和膜結(jié)構(gòu)。

通過(guò)高分辨率成像， 研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)吻的迅速延伸是由皮質(zhì)細(xì)胞骨架的螺旋結(jié)構(gòu)支撐的。在天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)的細(xì)胞骨架上，有15層螺旋狀的微管絲，它們有點(diǎn)類(lèi)似于手風(fēng)琴或者折扇， 在細(xì)胞膜上形成了一道道褶皺。也就是說(shuō)， 細(xì)胞的長(zhǎng)吻在不使用的情況下， 正是通過(guò)這種類(lèi)似于折紙的方式“ 折疊” 收縮了起來(lái)， 同時(shí)將大量能量?jī)?chǔ)存在這些褶皺中。而當(dāng)需要伸長(zhǎng)時(shí)， 這些褶皺又依次解旋， 因此可以快速地反復(fù)向外延伸。

研究團(tuán)隊(duì)表示， 這是人們首次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞“折紙”的案例。

接下來(lái)， 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)也得到了解釋。我們?cè)谏钪卸加畜w會(huì)，沿著折痕來(lái)折紙會(huì)顯得很容易。同樣，對(duì)于這些細(xì)胞來(lái)說(shuō)，有序折疊的機(jī)制意味著只需要少量的能量就可以在折痕處旋轉(zhuǎn)、彎曲細(xì)胞膜，避免了拉伸細(xì)胞膜消耗的大量能量；此外，在折疊與展開(kāi)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，需要的能量也更低。因此，這種螺旋結(jié)構(gòu)引導(dǎo)了細(xì)胞膜褶皺和有序折疊，這正是這些神奇生物快速伸縮長(zhǎng)吻的秘密。

需要指出的是， 無(wú)論是用手風(fēng)琴、折扇，還是可以折疊壓縮的吸管來(lái)作類(lèi)比，這些來(lái)自生活中的案例可以幫助我們理解褶皺的作用，但并不意味著天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)的折疊方式就與這些案例完全一致。

研究團(tuán)隊(duì)還從拓?fù)鋵W(xué)的角度解釋了它們伸縮的方式。他們?cè)诩?xì)胞膜和微管絲上各自發(fā)現(xiàn)了一種拓?fù)淦纥c(diǎn)——結(jié)構(gòu)同時(shí)折疊與展開(kāi)的點(diǎn)。正是這些拓?fù)淦纥c(diǎn)控制了長(zhǎng)吻的拉伸與收縮行為。雖然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但研究團(tuán)隊(duì)建立了天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)“折紙”放大模型，展示了長(zhǎng)吻解旋伸長(zhǎng)的具體方式。

就這樣， 研究團(tuán)隊(duì)首次解釋了如此簡(jiǎn)單的細(xì)胞如何做出令人難以置信的形態(tài)動(dòng)力學(xué)動(dòng)作。對(duì)于這些科學(xué)家來(lái)說(shuō)，驅(qū)使他們開(kāi)展這項(xiàng)研究的重要因素就是這種生命過(guò)程的驚奇與趣味，但這項(xiàng)研究的意義還不止于滿(mǎn)足人們的好奇心。

研究揭示了單細(xì)胞中極端變形行為的幾何控制機(jī)制，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的深入理解可為合成具有可變形特性的細(xì)胞骨架生物工程材料打開(kāi)新的大門(mén)。此外，這項(xiàng)研究還為微型機(jī)器人提供了新的靈感。研究團(tuán)隊(duì)暢想，可展開(kāi)的新型機(jī)器有望在空間望遠(yuǎn)鏡、手術(shù)機(jī)器人等不同場(chǎng)景中發(fā)揮作用。