微小的 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，对于这些 单细胞浮游植物——其中大多数没有任何帮助它们游泳的附属物——是如何移动的，人们知之甚少。它们从海洋最黑暗、最寒冷的海底向上游动，然后又沉下去。一种名为 Pyrocystis noctiluca 的 发光 浮游植物，就是通过膨胀到正常大小的六倍来实现这一点的。这种膨胀能让通常只有几百微米宽的浮游生物上升约656英尺到达海面，以便捕获阳光制造食物。这种独特的海洋旅行策略在10月17日发表在Cell Press期刊Current Biology上的一项 研究 中得到了描述。
“在这篇论文中，我们发现这些P. noctiluca细胞就像微型潜艇，它们可以极其精确地控制自身的密度，从而选择它们在水柱中的位置，”该研究的合著者、斯坦福大学海洋生物学家兼生物工程师Manu Prakash在一次 声明 中表示。
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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，它们必须与重力作斗争。
在夏威夷附近的一艘研究船上，Prakash和斯坦福大学的博士后研究员、该研究的合著者Adam Larson观察到了一次P. noctiluca的爆发。令人惊讶的是，他们的网里有两种尺寸差异很大的浮游生物。
“花了很长时间才弄清楚原因，直到我们录制了视频，看到细胞进行如此大规模的膨胀，”Larson在一次 声明 中说。“这可能发生得非常突然，所以如果你在显微镜旁睡着10分钟，你可能会错过它。”
在 这项研究 中，他们测试了这种快速生长可能对浮游生物产生的影响。为此，他们开发了一种名为“重力机”的工具。
“重力机使我们能够在无限的水柱中，以亚细胞分辨率观察单个细胞，”Prakash说。“这有点像一个用于沙鼠或老鼠的摩天轮，但用于单个细胞。它有一个盘子那么大，并且会旋转，所以细胞在其自身的参照系中不会知道自己没有在攀爬或下沉。”
在重力机中改变水压和密度， 就创建了一个模拟海洋深度的虚拟现实环境。利用这台机器，研究小组发现膨胀后的细胞密度低于周围的海水。这使得它们能够摆脱重力的向下拉力，漂浮到虚拟的表面。
近距离观察 显示，这种膨胀是浮游生物细胞周期的自然组成部分。在 单细胞浮游生物 分裂成两个之后，一个叫做液泡的内部结构会过滤进淡水。这导致新生成的两个细胞尺寸急剧增大。然后，这两个充满较轻的淡水并向上漂浮的子细胞。
视频： Pyrocystis 细胞周期。第一部分展示了 Pyrocystis 的生命周期。第二部分展示了细胞壁的分解。第三部分展示了细胞的膨胀。第四部分详细描述了分裂后细胞质中发生的动态。信用：Larson et al./Current Biology
“我们认识到，这是一种非常巧妙的方式，可以在细胞分裂期间‘弹射’在海洋中，”Prakash说。“那么，正常情况下会发生什么？你制造大量的蛋白质，有充足的阳光，制造大量的生物质，直到你变重并下沉。然后，你在更深的水域进行细胞分裂，并通过膨胀恢复到母体的大小。”
这个 完整的细胞周期大约需要七天，与浮游生物开始向上追寻阳光和养分的时间相吻合。根据 Prakash 的说法，这可能是第一个明确的证据表明这个细胞周期是由生态参数控制的。
“所有细胞都会受到向下的重力作用，除非它们或随后的后代与之抗争，否则它们将永远沉入海底，陷入重力陷阱，”该研究的合著者、斯坦福大学博士后研究员Rahul Chajwa在一次 声明 中说。
利用重力机的结果以及他们的生态和生理观察，研究小组 开发了一个数学框架，该框架可以应用于海洋中的所有浮游生物。该团队希望揭示更多可能利用生物化学来调节密度并沿水柱上下移动的大量浮游生物的隐藏之谜。
