登上《科学》封面！身体瞬间变长30倍，神奇生物的秘密终于解开了

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在自然界中，一些动物（例如食蚁兽）会伸出长长的舌头用于捕猎。这种特殊功能增加了动物个体觅食的范围，让它们获得更大的生存优势。

动物界的这种行为相信不少读者都不陌生，但如果做到这一点的，仅仅是一枚单细胞生物呢？

天鹅长吻虫（Lacrymaria olor）属于原生生物，作为一种单细胞的纤毛虫，它们具有非常独特的捕食技巧。正常情况下，其细胞形态有点类似于泪滴状，显然称不上特殊。但在捕食时，它们形似长颈的吻（用于吸附食物的工具）会突然向随机方向伸长，用来搜寻、捕获食物。

这些细胞的体长只有40微米，在不到30秒的时间内，它们的长吻却可以拉伸至1200微米，相当于自身体长的30倍！完成觅食后，这个结构又以相同的速度收缩回去。而且，这项能力可不是一次性的，它们一生中可以伸缩超过2万次并且不出故障，可以称得上经久耐用。

▲天鹅长吻虫可以迅速伸长其吻部（视频来源：参考资料[1]）

问题自然来了——这些连神经系统都没有的生物，是如何做到这一点的？具体来说，这个长长的吻平时储存在哪里，又是如何反复伸展、收缩的？

近日，斯坦福大学的Manu Prakash教授与研究生Eliott Flaum从亚细胞层面解开了真相。研究发现，这种纤毛虫的细胞膜拥有一种类似于折纸的机制，这些“折痕”的存在使得长吻可以在折叠与展开的状态之间迅速、来回切换。这一发现不仅破解了天鹅长吻虫的秘密，还有望在微型机器人等领域发挥作用。研究论文作为封面故事，发表于最新一期《科学》杂志。

▲《科学》杂志封面（图片来源：Rebecca Konte/Prakash Lab）

对科学家们来说，这个问题其实属于细胞形态动力学的范畴。要探索这种极限的形态动力行为，前提自然是看清细胞的形态变化。在新研究中，利用实时活体成像、共聚焦和透射电子显微镜等技术，研究团队绘制了天鹅长吻虫的亚细胞成分，包括皮质细胞骨架和膜结构。

▲天鹅长吻虫在收缩与伸展长吻时的形态（图片来源：参考资料[1]）

通过高分辨率成像，研究发现长吻的迅速延伸是由皮质细胞骨架的螺旋结构支撑的。在天鹅长吻虫的细胞骨架上，有15层螺旋状的微管丝，它们有点类似于手风琴或者折扇，在细胞膜上形成了一道道褶皱。也就是说，细胞的长吻在不使用的情况下，正是通过这种类似于折纸的方式“折叠”收缩了起来，同时将大量能量储存在这些褶皱中。而当需要伸长时，这些褶皱又依次解旋，因此可以反复、快速地向外延伸。

研究团队表示，这是人们首次发现细胞“折纸”的案例。

▲天鹅长吻虫形成褶皱的示意图（图片来源：参考资料[1]）

接下来，这种结构的优势也得到了解释。我们在生活中都有体会，沿着折痕来折纸会显得很容易。同样，对于这些细胞来说，有序折叠的机制意味着只需要少量的能量就可以在折痕处旋转、弯曲细胞膜，避免了拉伸细胞膜消耗的大量能量；此外，在折叠与展开状态之间转换时，需要的能量也更低。因此，这种螺旋结构引导了细胞膜褶皱和有序折叠，这正是这些神奇生物快速伸缩长吻的秘密。

需要指出的是，无论是用手风琴、折扇，还是可以折叠压缩的吸管来作类比，这些来自生活的案例可以帮助我们理解褶皱的作用，但并不意味着天鹅长吻虫的折叠方式就与这些案例完全一致。

这不，研究团队还从拓扑学的角度解释了它们伸缩的方式。他们在细胞膜和微管丝上各自发现了一种拓扑奇点——结构同时折叠与展开的点。正是这些拓扑奇点控制了长吻的拉伸与收缩行为。虽然拓扑结构很复杂，但研究团队建立了如下方视频所示的天鹅长吻虫“折纸”放大模型，展示了长吻解旋伸长的具体方式。

▲模型展示了天鹅长吻虫的长吻伸展的机制（视频来源：参考资料[1]）

▲研究团队根据天鹅长吻虫建立了快速、可逆地伸展的模型（图片来源：参考资料[1]）

就这样，研究团队首次解释了如此简单的细胞如何产生令人难以置信的形态动力学。对于这些科学家来说，驱使他们开展这项研究的重要因素就是这种生命过程的惊奇与趣味，但这项研究的意义还不止于满足人们的好奇心。

研究揭示了单细胞中极端变形行为的几何控制机制，对这种结构的深入理解为合成具有可变形特性的细胞骨架生物工程材料打开新的大门。此外，这项研究还为微型机器人提供了新的灵感，研究团队畅想，可展开的新型机器有望在从空间望远镜到手术机器人等不同场景中发挥作用。

参考资料：

[1] Eliott Flaum et al, Curved crease origami and topological singularities enable hyperextensibility of L. olor, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk5511

[2] Leonardo Gordillo et al, A tiny, long-distance hunter, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn9351

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