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!

2020-11-27 騰訊網

最新研究解釋了單細胞海洋生物，是如何產生光作為對機械刺激的反應，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》期刊上發表的一項新研究中，研究人員確定了導致其中一種生物產生光的潛在物理原因。

由劍橋大學領導的國際研究團隊，開發了基於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生閃光的。通過系統的實驗發現：閃光的亮度既取決於變形深度，也取決於施加的速率。這種行為被稱為「粘彈性」響應，在許多複雜材料中都有發現，比如含有懸浮聚合物的流體。

對於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，離子通道是分布在細胞膜上的一種特殊蛋白質。當細胞膜受到壓力時，這些通道打開，允許鈣在細胞的隔間之間移動，觸發產生光的生化級聯。領導這項研究的應用數學與理論物理系斯倫貝謝複雜物理系統教授雷蒙德·E·戈爾茨坦說：儘管已經進行了數十年的科學研究，主要是在生物化學領域，但流體流動引發光產生的物理機制仍然不清楚。

其研究發現揭示了流體觸發光線產生的物理機制，並表明在單細胞水平上可以做出多麼優雅的決策。幾千年來，生物發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。從亞里斯多德到莎士比亞，許多作家和哲學家都寫過關於生物發光的文章，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生。

然而，海洋中的生物發光並非「無效」。相反，它用於防禦、進攻和交配。在甲藻的情況下，它們使用輕量生產來嚇跑捕食者。目前的研究結果表明，當細胞壁變形較小時，無論壓入得多快，光強都很小；當壓痕較大但施加緩慢時，光強也很小。只有當振幅和速率都較大時，燈光強度才會最大化。研究開發了一個數學模型，能夠定量地解釋這些觀察結果，這種行為可以作為過濾器，以避免觸發虛假的閃光。

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，這是在海洋環境下理解光預測的一步。研究小組的其他成員包括博士後研究員Hélène de Maleprade、德國哥廷根Max-Planck動力學與自組織研究所的Nico Schramma和法國巴黎理工學院的Antoine Dode，以及法國尼斯物理研究所的教授Christophe Raufast。

博科園｜研究/來自：劍橋大學

參考期刊《物理評論快報》

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