一篇Nature文章和一块七毛五的显微镜

探索世界上移动速度最快的动物

【字体: 时间:2019年07月12日 来源:

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  “我记忆犹新,当这种生物在折叠镜下游过,”Prakash说。“它是一个巨大的细胞,但它在不到一眨眼的时间内收缩并加速的速度几乎比任何其他单细胞都快。在我没反应过来的时候,它就已经从视野中消失了。我记得当时我很兴奋,我把细胞带回了实验室仔细观察。”

  

斯坦福大学生物工程副教授Manu Prakash穿着靴子蹲在Baylands自然保护区的烂泥里,透过他的折叠镜(他自己发明的价值1.75美元的折纸显微镜)仔细观察沼泽咸水水域中的居民。他正聚焦在一个巨大的单细胞有机生物身上,这种被称为旋口虫(Spirostomum)的有机体就是本周发表在《Nature》杂志上一篇文章的主角。


“我记忆犹新,当这种生物在折叠镜下游过,”Prakash说。“它是一个巨大的细胞,但它在不到一眨眼的时间内收缩并加速的速度几乎比任何其他单细胞都快。在我没反应过来的时候,它就已经从视野中消失了。我记得当时我很兴奋,我把细胞带回了实验室仔细观察。”

事发地距离Prakash实验室仅5英里。结果是他和他的同事们发现了一种新的细胞间通讯方式,7月10日出版的《Nature》杂志详细报道这件事。

在没有接触任何电子或化学信号的情况下,单个旋口虫可以如此精密地协调它们的超快收缩。面对捕食者,它们中的一组细胞似乎同时收缩,使它们同步释放麻痹毒素。

“生物学中有许多不同的交流方式,在这里我们发现并试图理解一种新的细胞信号,”Prakash实验室的博士后学者、论文的主要作者Arnold Mathijssen说。“这可能比我们目前所描述的(其他交流方式)更为普遍,而且许多不同种类的有机体都在共用。”

Prakash实验室从纪念景点“Peggy's Bench”采集了几种微生物的野生样本,这里有咸水和淡水、潮汐变化和鸟类迁徙,使这里的沼泽成为了潜在的生物多样性热点。Prakash实验室习惯每星期来取样几次,已经持续很多年了。尽管如此,Prakash第一次来访时并不知道这些。

“当时,Lagunita湖已经干涸,我正在寻找一个新的采样地点,”Prakash回忆说,Lagunita湖是斯坦福大学校园里的一个季节性湖泊。“我在手机上的GPS地图上看到了这个蓝点。一开始我什么都不知道,但值得一试。”

回到实验室,研究小组研究了野生旋口虫样品,同时也饲养了自己的大旋口虫(Spirostomum ambiguum),并开始深入研究他们超快速收缩的细节。通过高速成像,发现收缩仅发生在5毫秒内——人眼眨眼需要100-400毫秒——在这个过程中,细胞承受大约14倍的重力。当它收缩时,一包毒素从细胞边缘脱落,释放到周围液体中。

在一个深夜,实验室的研究人员注意到,当细胞成团时似乎可以同时收缩。

“我们想知道,‘离彼此几厘米远的细胞怎么能同步几乎同时进行的工作?’”Saad Bhamla说,他以前是Prakash实验室的博士后,现在是佐治亚理工学院的助理教授。

研究人员利用另一名研究生Deepak Krishnamurthy在Prakash实验室进行的独立研究,即单个细胞如何感知周围水的运动,来解开这个谜团。他们观察旋口虫周围的流场,清楚地看到了原来它们是通过流体动力流进行沟通的。

“第一个细胞收缩生成一个流,流触发第二个细胞,再触发第三个细胞。所以,你得到了一个穿过整个族群的传播触发波,”Mathijssen描述道。“这些都是大范围的旋涡流,通讯的速度约为一秒几米,而这些细胞每个只有1到4毫米长。”

Mathijssen通过Krishnamurthy为Prakash实验室做过的一项实验,找出了触发了第一个细胞收缩的关键。通过小心地从含有S. ambiguum的一对载玻片的小孔中吸出液体,Mathijssen模仿捕食者的进食行为。细胞位于孔越近,它身体的一端相对于另一端就越伸展——就像物体接近黑洞时那样。通过这一简单而相对大规模的实验,研究人员确定,一定量的身体张力可能导致S. ambiguum内张力门控离子通道的打开或关闭,使其收缩。

野生动物在哪里?

Prakash实验室和Bhamla实验室继续研究S. ambiguum,以了解这些细胞是如何、何时以及为什么收缩的。在自然界中,产生和感知水流对生存至关重要,他们还想知道他们所发现的水动力通讯是否被其他生物利用。作为这项研究和其他工作的一部分,Prakash实验室一直定期在Peggy's Bench采样。

站在沼泽边的Prakash说,这项工作只是我们走出实验室,找到许多隐藏宝石的一个例子。任何人当他拥有一个简易的工具,如折叠显微镜(FoldScope),都能发现并开始探索。”

在不久的将来,Prakash计划在他们收集旋口虫的沼泽地进行一次广泛的生物多样性调查,这将包括建立一个基于显微镜的水世界实时投喂视频,并带领本科生来探索这片沼泽地。

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原文检索:Collective intercellular communication through ultra-fast hydrodynamic trigger waves

(生物通:伍松)

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