浮游生物“吹大”自己向上游

近日，研究人员分析了一种能发光的浮游植物夜光藻，发现它可以膨胀到原来6倍的大小。

许多浮游生物能从寒冷、黑暗的海洋深处游到海面，最终又以一种不变的节奏漂回黑暗中。然而，单细胞浮游植物是如何进行这种“朝圣之旅”的仍然是个谜，它们大多数没有辅助游泳的附属器官。

近日，研究人员分析了一种能发光的浮游植物夜光藻，发现它可以膨胀到原来6倍的大小。这种巨大的膨胀使它们能够向海洋表面移动200米以捕捉阳光，然后下沉。这就是它们长途海洋旅行的独特策略。10月17日，相关论文刊登于细胞出版社（Cell Press）旗下期刊Current Biology（《当代生物学》）。

浮游植物平均比海水重5%~10%，这意味着如果它们想留在水面进行光合作用，就必须找到一种最佳的重力方式。“我们决定研究那些似乎没有游泳附属器官就可以游泳的生物。”论文通讯作者、美国斯坦福大学海洋生物学家和生物工程师Manu Prakash说，“我们发现，这些夜光藻细胞就像小潜艇，可以精确地控制它们的密度，以便选择它们在水中的位置。”

Prakash和斯坦福大学博士后Adam Larson，在夏威夷离岸水域的一艘研究船上偶然发现了夜光藻群，并意外地在捕捞网中发现了两种大小截然不同的藻类。“我们花了一段时间才弄清楚原因，我们录下了这些藻类大规模膨胀的视频。”Larson说，“它可能会突然发生，所以如果你在显微镜下睡10分钟，你就可能会错过。”

为了测试这种快速膨胀对浮游生物的影响，研究小组使用了他们的新型“重力机”。“重力机使我们能够在水柱中以亚细胞分辨率观察单个细胞。”Prakash说，“这有点像小鼠实验里的转轮，但只适用于单个细胞。它有餐盘那么大，可以旋转，所以细胞不知道自己在参照系中是否上升或下沉。”通过改变重力机内的水压和密度，该团队可以创造一个模拟海洋深度的虚拟现实环境。通过这台机器，研究小组发现，膨胀细胞的密度比周围的海水要小，这使它们能够漂向水面。

进一步的研究表明，这种膨胀是浮游生物细胞周期的自然组成部分。一旦单细胞浮游生物分裂成两个，一个叫做液泡的内部结构能使两个新细胞体积增长。这两个子细胞会充满较轻的淡水，向上漂动。“我们意识到，这是一种非常聪明的方法，实现在细胞分裂期间向上‘弹射’。那么，在正常时间会发生什么？细胞会制造大量的蛋白质，有大量的阳光，然后制造了大量的生物质，直到变重，下沉。然后，在更深的水域进行细胞分裂，循环往复。”Prakash说。

整个细胞周期大约需要7天，与浮游生物对光线和营养的垂直需求相吻合。Prakash说，“我认为这是我们第一次有明确的证据表明，作为控制细胞和细胞分裂基本机制的细胞周期，可能是由生态参数控制的。”

基于这些观点，研究团队使用理论框架发现驱动这种进化的基本限制是生态参数。“所有细胞都受到向下的引力，除非它们或后代进行反抗，否则它们将在引力拉扯中永远沉入海底。”该研究的联合第一作者、斯坦福大学博士后Rahul Chajwa说。现在，研究小组已经开发了一个数学框架，可以推广并应用于所有海洋浮游生物。

在未来的研究中，Prakash实验室将继续寻找浮游生物的秘密。“目前，我们的行为数据库中大约有600个物种，我们正在系统地测量各种机制。我们有一长串的生物要研究，因为海洋中生活着数百万种物种，这只是冰山一角。”

Prakash实验室的研究生李洪泉（音译）也是这项研究的作者之一。

阅读论文：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(24)01287-9

了解更多最新研究，请关注Cell Press细胞出版社官方微信“CellPress细胞科学”