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(hù)區(qū)的爛泥里，透過(guò)他的折疊鏡（他自己發(fā)明的價(jià)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(gè)巨大的單細(xì)胞有機(jī)生物身上，這種被稱(chēng)為旋口蟲(chóng)（Spirostomum）的有機(jī)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(guò)，”P(pán)rakash說(shuō)。“它是一個(gè)巨大的細(xì)胞，但它在不到一眨眼的時(shí)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(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)的時(shí)候，它就已經(jīng)從視野中消失了。我記得當(dāng)時(shí)我很興奮，我把細(xì)胞帶回了實(shí)驗(yàn)室仔細(xì)觀察?！?/p>

事發(fā)地距離Prakash實(shí)驗(yàn)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(bào)道這件事。

在沒(méi)有接觸任何電子或化學(xué)信號(hào)的情況下，單個(gè)旋口蟲(chóng)可以如此精密地協(xié)調(diào)它們的超快收縮。面對(duì)捕食者，它們中的一組細(xì)胞似乎同時(shí)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(hào)，”P(pán)rakash實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者、論文的主要作者Arnold Mathijssen說(shuō)?！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(lèi)的有機(jī)體都在共用?！?/p>

Prakash實(shí)驗(yàn)室從紀(jì)念景點(diǎn)“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(niǎo)類(lèi)遷徙，使這里的沼澤成為了潛在的生物多樣性熱點(diǎn)。Prakash實(shí)驗(yàn)室習(xí)慣每星期來(lái)取樣幾次，已經(jīng)持續(xù)很多年了。盡管如此，Prakash第一次來(lái)訪(fǎng)時(shí)并不知道這些。

“當(dāng)時(shí)，Lagunita湖已經(jīng)干涸，我正在尋找一個(gè)新的采樣地點(diǎn)，”P(pán)rakash回憶說(shuō)，Lagunita湖是斯坦福大學(xué)校園里的一個(gè)季節(jié)性湖泊?！拔以谑謾C(jī)上的GPS地圖上看到了這個(gè)藍(lán)點(diǎn)。一開(kāi)始我什么都不知道，但值得一試。”

回到實(shí)驗(yàn)室，研究小組研究了野生旋口蟲(chóng)樣品，同時(shí)也飼養(yǎng)了自己的大旋口蟲(chóng)（Spirostomum ambiguum），并開(kāi)始深入研究他們超快速收縮的細(xì)節(jié)。通過(guò)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(gè)過(guò)程中，細(xì)胞承受大約14倍的重力。當(dāng)它收縮時(shí)，一包毒素從細(xì)胞邊緣脫落，釋放到周?chē)后w中。

在一個(gè)深夜，實(shí)驗(yàn)室的研究人員注意到，當(dāng)細(xì)胞成團(tuán)時(shí)似乎可以同時(shí)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(shí)進(jìn)行的工作？’”Saad Bhamla說(shuō)，他以前是Prakash實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的獨(dú)立研究，即單個(gè)細(xì)胞如何感知周?chē)倪\(yùn)動(dòng)，來(lái)解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。他們觀察旋口蟲(chóng)周?chē)牧鲌?chǎng)，清楚地看到了原來(lái)它們是通過(guò)流體動(dòng)力流進(jìn)行溝通的。

“第一個(gè)細(xì)胞收縮生成一個(gè)流，流觸發(fā)第二個(gè)細(xì)胞，再觸發(fā)第三個(gè)細(xì)胞。所以，你得到了一個(gè)穿過(guò)整個(gè)族群的傳播觸發(fā)波，”Mathijssen描述道。“這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(gè)只有1到4毫米長(zhǎng)。”

Mathijssen通過(guò)Krishnamurthy為Prakash實(shí)驗(yàn)室做過(guò)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，找出了觸發(fā)了第一個(gè)細(xì)胞收縮的關(guān)鍵。通過(guò)小心地從含有S. ambiguum的一對(duì)載玻片的小孔中吸出液體，Mathijssen模仿捕食者的進(jìn)食行為。細(xì)胞位于孔越近，它身體的一端相對(duì)于另一端就越伸展——就像物體接近黑洞時(shí)那樣。通過(guò)這一簡(jiǎn)單而相對(duì)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，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(mén)控離子通道的打開(kāi)或關(guān)閉，使其收縮。

野生動(dòng)物在哪里？

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

站在沼澤邊的Prakash說(shuō)，這項(xiàng)工作只是我們走出實(shí)驗(yàn)室，找到許多隱藏寶石的一個(gè)例子。任何人當(dāng)他擁有一個(gè)簡(jiǎn)易的工具，如折疊顯微鏡（FoldScope），都能發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始探索?！?/p>

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

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

來(lái)源：生物通