斯坦福大學(xué)生物工程副教授Manu Prakash穿著靴子蹲在Baylands自然保護區(qū)的爛泥里，透過他的折疊鏡（他自己發(fā)明的價值1.75美元的折紙顯微鏡）仔細(xì)觀察沼澤咸水水域中的居民。他正聚焦在一個巨大的單細(xì)胞有機生物身上，這種被稱為旋口蟲（Spirostomum）的有機體就是本周發(fā)表在《Nature》雜志上一篇文章的主角。

“我記憶猶新，當(dāng)這種生物在折疊鏡下游過，”Prakash說?！八且粋€巨大的細(xì)胞，但它在不到一眨眼的時間內(nèi)收縮并加速的速度幾乎比任何其他單細(xì)胞都快。在我沒反應(yīng)過來的時候，它就已經(jīng)從視野中消失了。我記得當(dāng)時我很興奮，我把細(xì)胞帶回了實驗室仔細(xì)觀察?！?/p>

事發(fā)地距離Prakash實驗室僅5英里。結(jié)果是他和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一種新的細(xì)胞間通訊方式，7月10日出版的《Nature》雜志詳細(xì)報道這件事。

在沒有接觸任何電子或化學(xué)信號的情況下，單個旋口蟲可以如此精密地協(xié)調(diào)它們的超快收縮。面對捕食者，它們中的一組細(xì)胞似乎同時收縮，使它們同步釋放麻痹毒素。

“生物學(xué)中有許多不同的交流方式，在這里我們發(fā)現(xiàn)并試圖理解一種新的細(xì)胞信號，”Prakash實驗室的博士后學(xué)者、論文的主要作者Arnold Mathijssen說?！斑@可能比我們目前所描述的（其他交流方式）更為普遍，而且許多不同種類的有機體都在共用?！?/p>

Prakash實驗室從紀(jì)念景點“Peggy’s Bench”采集了幾種微生物的野生樣本，這里有咸水和淡水、潮汐變化和鳥類遷徙，使這里的沼澤成為了潛在的生物多樣性熱點。Prakash實驗室習(xí)慣每星期來取樣幾次，已經(jīng)持續(xù)很多年了。盡管如此，Prakash第一次來訪時并不知道這些。

“當(dāng)時，Lagunita湖已經(jīng)干涸，我正在尋找一個新的采樣地點，”Prakash回憶說，Lagunita湖是斯坦福大學(xué)校園里的一個季節(jié)性湖泊?！拔以谑謾C上的GPS地圖上看到了這個藍(lán)點。一開始我什么都不知道，但值得一試?！?/p>

回到實驗室，研究小組研究了野生旋口蟲樣品，同時也飼養(yǎng)了自己的大旋口蟲（Spirostomum ambiguum），并開始深入研究他們超快速收縮的細(xì)節(jié)。通過高速成像，發(fā)現(xiàn)收縮僅發(fā)生在5毫秒內(nèi)——人眼眨眼需要100-400毫秒——在這個過程中，細(xì)胞承受大約14倍的重力。當(dāng)它收縮時，一包毒素從細(xì)胞邊緣脫落，釋放到周圍液體中。

在一個深夜，實驗室的研究人員注意到，當(dāng)細(xì)胞成團時似乎可以同時收縮。

“我們想知道，‘離彼此幾厘米遠(yuǎn)的細(xì)胞怎么能同步幾乎同時進行的工作？’”Saad Bhamla說，他以前是Prakash實驗室的博士后，現(xiàn)在是佐治亞理工學(xué)院的助理教授。

研究人員利用另一名研究生Deepak Krishnamurthy在Prakash實驗室進行的獨立研究，即單個細(xì)胞如何感知周圍水的運動，來解開這個謎團。他們觀察旋口蟲周圍的流場，清楚地看到了原來它們是通過流體動力流進行溝通的。

“第一個細(xì)胞收縮生成一個流，流觸發(fā)第二個細(xì)胞，再觸發(fā)第三個細(xì)胞。所以，你得到了一個穿過整個族群的傳播觸發(fā)波，”Mathijssen描述道?！斑@些都是大范圍的旋渦流，通訊的速度約為一秒幾米，而這些細(xì)胞每個只有1到4毫米長?！?/p>

Mathijssen通過Krishnamurthy為Prakash實驗室做過的一項實驗，找出了觸發(fā)了第一個細(xì)胞收縮的關(guān)鍵。通過小心地從含有S. ambiguum的一對載玻片的小孔中吸出液體，Mathijssen模仿捕食者的進食行為。細(xì)胞位于孔越近，它身體的一端相對于另一端就越伸展——就像物體接近黑洞時那樣。通過這一簡單而相對大規(guī)模的實驗，研究人員確定，一定量的身體張力可能導(dǎo)致S. ambiguum內(nèi)張力門控離子通道的打開或關(guān)閉，使其收縮。

野生動物在哪里？

Prakash實驗室和Bhamla實驗室繼續(xù)研究S. ambiguum，以了解這些細(xì)胞是如何、何時以及為什么收縮的。在自然界中，產(chǎn)生和感知水流對生存至關(guān)重要，他們還想知道他們所發(fā)現(xiàn)的水動力通訊是否被其他生物利用。作為這項研究和其他工作的一部分，Prakash實驗室一直定期在Peggy’s Bench采樣。

站在沼澤邊的Prakash說，這項工作只是我們走出實驗室，找到許多隱藏寶石的一個例子。任何人當(dāng)他擁有一個簡易的工具，如折疊顯微鏡（FoldScope），都能發(fā)現(xiàn)并開始探索。”

在不久的將來，Prakash計劃在他們收集旋口蟲的沼澤地進行一次廣泛的生物多樣性調(diào)查，這將包括建立一個基于顯微鏡的水世界實時投喂視頻，并帶領(lǐng)本科生來探索這片沼澤地。

原文檢索：Collective intercellular communication through ultra-fast hydrodynamic trigger waves

來源：生物通