單細胞生物“甲藻”是如何照亮海洋的？夜晚藍色的光芒很是迷人！

最新研究解釋了單細胞海洋生物，是如何產(chǎn)生光作為對機械刺激的反應(yīng)，在夜間照亮海浪。每隔幾年，一大批被稱為甲藻的微生物，就會賦予海浪一種詭異的藍色光芒，從而改變世界各地的海岸。例如南加州壯觀的水華就是一個特別引人注目的例子。在《物理評論快報》期刊上發(fā)表的一項新研究中，研究人員確定了導(dǎo)致其中一種生物產(chǎn)生光的潛在物理原因。

由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊，開發(fā)了基于微操作和高速成像的獨特實驗工具，以在單細胞水平上可視化光產(chǎn)生，他們展示了新月焦囊藻(Pyrocystis Lunula)的單細胞有機體，在其細胞壁被機械力變形時是如何產(chǎn)生閃光的。通過系統(tǒng)的實驗發(fā)現(xiàn)：閃光的亮度既取決于變形深度，也取決于施加的速率。這種行為被稱為“粘彈性”響應(yīng)，在許多復(fù)雜材料中都有發(fā)現(xiàn)，比如含有懸浮聚合物的流體。

對于像新月焦囊藻這樣的生物來說，這種機制很可能與離子通道有關(guān)，離子通道是分布在細胞膜上的一種特殊蛋白質(zhì)。當(dāng)細胞膜受到壓力時，這些通道打開，允許鈣在細胞的隔間之間移動，觸發(fā)產(chǎn)生光的生化級聯(lián)。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的應(yīng)用數(shù)學(xué)與理論物理系斯倫貝謝復(fù)雜物理系統(tǒng)教授雷蒙德·E·戈爾茨坦說：盡管已經(jīng)進行了數(shù)十年的科學(xué)研究，主要是在生物化學(xué)領(lǐng)域，但流體流動引發(fā)光產(chǎn)生的物理機制仍然不清楚。

其研究發(fā)現(xiàn)揭示了流體觸發(fā)光線產(chǎn)生的物理機制，并表明在單細胞水平上可以做出多么優(yōu)雅的決策。幾千年來，生物發(fā)光一直是人類感興趣的，因為它可以看到海洋中夜間海浪的光芒或森林中的螢火蟲。從亞里士多德到莎士比亞，許多作家和哲學(xué)家都寫過關(guān)于生物發(fā)光的文章，莎士比亞在“哈姆雷特”中寫到了螢火蟲的“無效之火”；指的是沒有熱量的光的產(chǎn)生。

然而，海洋中的生物發(fā)光并非“無效”。相反，它用于防御、進攻和交配。在甲藻的情況下，它們使用輕量生產(chǎn)來嚇跑捕食者。目前的研究結(jié)果表明，當(dāng)細胞壁變形較小時，無論壓入得多快，光強都很??；當(dāng)壓痕較大但施加緩慢時，光強也很小。只有當(dāng)振幅和速率都較大時，燈光強度才會最大化。研究開發(fā)了一個數(shù)學(xué)模型，能夠定量地解釋這些觀察結(jié)果，這種行為可以作為過濾器，以避免觸發(fā)虛假的閃光。

與此同時，研究人員計劃更定量地分析流體流動中整個細胞上的力分布，這是在海洋環(huán)境下理解光預(yù)測的一步。研究小組的其他成員包括博士后研究員Hélène de Maleprade、德國哥廷根Max-Planck動力學(xué)與自組織研究所的Nico Schramma和法國巴黎理工學(xué)院的Antoine Dode，以及法國尼斯物理研究所的教授Christophe Raufast。

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博科園｜研究/來自：劍橋大學(xué)

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.028102

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