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紧紧挤在一起的闪光-单细胞生物体如何照亮海洋

研究解释了单细胞海洋生物是如何产生光作为机械刺激的反应,在晚上点亮破碎的波浪。

每隔几年,一种被称为鞭毛藻的微生物的繁殖期就会改变世界各地的海岸,给破碎的海浪带来一种怪异的蓝色光芒。今年在南加州壮观的开花就是一个特别引人注目的例子。在发表在《物理评论快报》杂志上的一项新研究中,研究人员已经确定了导致其中一种生物产生光的基本物理原理。

这个由剑桥大学领导的国际团队开发了基于微操作和高速成像的独特实验工具,在单细胞水平上可视化光的产生。他们展示了月牙孢子虫的单细胞生物在细胞壁被机械力变形时是如何产生闪光的。通过系统的实验,他们发现闪光的亮度取决于变形的深度和变形的速率。

这种现象被称为“粘弹性”反应,存在于许多复杂的材料中,如含有悬浮聚合物的流体。在像月牙孢子虫这样的生物中,这种机制很可能与离子通道有关,离子通道是分布在细胞膜上的特殊蛋白质。当细胞膜受到压力时,这些通道打开,允许钙在细胞的隔间间移动,触发产生光的生化级联。

“尽管已经进行了几十年的科学研究,主要是在生物化学领域,但流体触发光产生的物理机制仍然不清楚,”领导这项研究的应用数学和理论物理系斯伦贝谢复杂物理系统教授雷蒙德·e·戈尔茨坦(Raymond E. Goldstein)说。

该论文的第一作者Maziyar Jalaal博士说:“我们的发现揭示了流体流动触发光产生的物理机制,并展示了在单细胞水平上可以做出多么优雅的决定。”

几千年来,生物发光一直是人类的兴趣所在,因为它是可见的,如夜间在海洋里的碎波的辉光或萤火虫在森林里的火花。从亚里士多德到莎士比亚,许多作家和哲学家都写过关于生物发光的东西。莎士比亚在《哈姆雷特》中写过萤火虫“无效的火焰”;关于无热量产生光的参考:

“…去刺痛她。祝你早日康复。萤火虫显示附近的晨祷,他苍白uneffectual火的杜松子酒。再见,再见,再见。还记得我。”

然而,海洋中的生物发光并不是“无效的”。相反,它被用于防御、进攻和交配。对于鞭毛藻来说,它们利用光来吓跑捕食者。

目前的研究结果表明,当细胞壁变形较小时,无论压痕速度多快,光强都较小;当压痕较大但作用缓慢时,光强也较小。只有当振幅和速率都很大时,光强才最大。该小组开发了一个数学模型,能够定量地解释这些观察结果,他们认为这种行为可以作为一个过滤器,以避免触发虚假的闪光。

与此同时,研究人员计划对流体中整个细胞的力分布进行更多的定量分析,这是理解海洋环境中光预测的一步。

研究团队的其他成员都是博士后研究员海琳德Maleprade来访的学生尼克Schramma大动力学研究所和自组织在哥廷根,德国和安东尼Dode从巴黎综合理工学院在法国,并从德研究所客座教授克利斯朵夫Raufaste体格de不错,法国。

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