为什么这些浮游生物会膨胀到比正常情况下大 6 倍

微小浮游生物是海洋食物链的核心，为鲸鱼等体型更大的动物提供食物。然而，人们对单细胞浮游植物的游动方式知之甚少，它们大多数没有任何帮助它们游泳的附肢。它们从海洋最黑暗、最寒冷的深处游到水面，然后又漂流回来。一种名为夜光藻的发光浮游植物通过将体积膨胀到正常大小的六倍来做到这一点。这种膨胀将通常只有几百微米宽的浮游生物带到离海平面约 656 英尺的高度，以便它们能够捕获阳光来制造食物。10 月 17 日发表在细胞出版社旗下期刊《当代生物学》上的一项研究描述了这种独特的海洋旅行策略。

“我们在这篇论文中发现，这些夜光藻细胞就像小型潜艇，可以精确控制其密度，从而选择它们在水柱中的位置，”研究报告的共同作者、斯坦福大学海洋生物学家和生物工程师 Manu Prakash 在一份声明中说。

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平均而言，浮游植物只比海水重 5% 到 10%。这意味着，如果它们想留在海面进行光合作用，就必须对抗重力。

在夏威夷附近的一艘研究船上，普拉卡什和斯坦福大学的博士后研究员、这项研究的共同作者亚当·拉尔森看到了夜光藻的大量繁殖。令人惊讶的是，他们的网里有两种大小截然不同的浮游生物。

“我们花了一段时间才弄清楚原因，直到我们录制了视频，看到细胞大量膨胀，”拉森在一份声明中说。“这种情况发生得非常突然，所以如果你在显微镜旁睡了 10 分钟，你可能会错过它。”

在研究中，他们测试了这种快速生长对浮游生物可能产生的影响。为此，他们开发了一种名为重力机的工具。

“重力仪让我们能够在无限水柱中以亚细胞分辨率观察单个细胞，”普拉卡什说。“它有点像沙鼠或老鼠的摩天轮，但只适用于单个细胞。它的大小与餐盘相当，而且会旋转，因此细胞不知道它在自己的参考系中是上升还是下沉。”

改变重力机内的水压和密度可以创造一个模拟海洋深度的虚拟现实环境。利用该机器，研究小组发现膨胀的细胞密度低于周围的海水。这让它们能够摆脱重力的向下拉力，漂浮到虚拟表面。

仔细观察后发现，这种膨胀是浮游生物细胞周期的自然组成部分。单细胞浮游生物分裂成两个后，一种称为液泡的内部结构会过滤淡水。这会导致两个新细胞体积大幅增大。然后，两个子细胞会随着较轻的淡水膨胀，并向上漂浮。

视频： Pyrocystis细胞周期。第 1 部分展示了 Pyrocystis 的生命周期。第 2 部分展示了细胞壁的分解。第 3 部分展示了细胞膨胀。第 4 部分详细介绍了分裂后细胞质中发生的动态。来源：Larson 等人/Current Biology

“我们意识到，这是一种非常聪明的方法，可以在细胞分裂期间在海洋中弹射，”普拉卡什说。“那么，在正常时间会发生什么？你会制造大量蛋白质，享受大量阳光，制造大量生物质，直到你变得更重并下沉。然后，你在更深的水域进行细胞分裂，并利用膨胀回到母亲的大小。”

整个细胞周期大约需要七天，与浮游生物开始向上寻找阳光和营养物质的时间相吻合。据 Prakash 称，这可能是该细胞周期受生态参数控制的第一个明确证据。

这项研究的共同作者、斯坦福大学博士后研究员拉胡尔·查瓦 (Rahul Chajwa) 在一份声明中表示：“所有细胞都会受到向下的引力作用，除非它们或随后的子代细胞进行反击，否则它们将在引力陷阱中永远沉入海底。”

研究团队利用重力仪的结果以及生态和生理观察结果，开发出一个可应用于海洋中所有浮游生物的数学框架。该团队希望揭开大量浮游生物的更多秘密，这些浮游生物可能利用生物化学来调节密度并在水柱中上下移动。