PNAS丨光照适应如何塑造微藻群体行为？——揭示单细胞生物跨时空自适应运动新机制

微型 “ 游泳者 ” 的光导航谜题

在自然界中，微型游动生物（ m icroswimmers ）如藻类、细菌等，承担着生态系统营养循环和能量流动的重要角色【1】。它们通过调节自身运动行为，主动响应光、化学物质、电场等环境刺激，从而寻找 最 适生存空间。尤其是趋光性（ phototaxis ），即微生物对光的趋近或回避，是经典的环境响应行为【2】。虽然已有不少研究揭示了微生物对光的快速行为反应，但它们如何在不同时间尺度上整合环境信息，并最终表现出复杂的集体动态与空间分布，至今仍未被完全理解【3】。

近日， 香港大学机械工程 系的Alan C. H. Tsang教授团队在 莱茵 衣藻（ Chlamydomonas reinhardtii ）的光驱动行为研究中取得进展。该团队发现，适中的环境光照会诱导莱茵衣藻个体出现“振荡型趋光性”——即细胞在单一方向光照下不断在朝向和背离光源之间切换游动方向，同时，这一现象进一步导致大尺度、可持续数十分钟的细胞密度带的形成。相关研究以

Intermediate light adaptation induces oscillatory phototaxis switching and pattern formation in

Chlamydomonas

振荡型趋光性：个体行为到群体模式的桥梁

本研究聚焦于生物 模型莱茵 衣藻（图1 A），在实验与建模结合下，系统揭示了光适应在单细胞到群体层面的运动调控机制。团队发现：在适中光强（约 4000 到 8000 勒克斯）下， 莱茵 衣藻并非 简单地持续朝向或远离光源游动，而是在 “ 正趋光性 ” （朝向光源）与 “ 负趋光性 ” （远离光源）之间周期性交替（图1 B-C）。这种 “ 振荡型趋光性 ” 使得单个细胞在流体腔室中呈现来回摆动的轨迹。

更令人惊讶的是，众多细胞的这种振荡行为逐步演化为群体尺度的结构 —— 实验中观察到，细胞群形成了跨越毫米尺度、缓慢向光源推进的密度带（图1 D）。这一现象可持续达 30 分钟，显示出单细胞行为如何通过自适应调控，驱动群体模式的产生。

图1. 莱茵衣藻在中等强度的恒定光场下表现出振荡的趋光性和全局细胞模式

机制揭秘：一个 “ 自适应振荡器 ” 模型

作者通过高速成像与单细胞追踪，结合生物物理建模，深入剖析了这一机制。研究发现， 莱茵 衣藻的 光感受器（ eyespot ）与螺旋游动轨迹之间的相位关系，是决定其趋光方向切换的关键。光刺激诱发鞭毛节律与波形的快速调节，使细胞能在 毫秒至分钟 的多时间尺度上实现方向切换与 环境 适应（图1 E）。

更重要的是，作者提出了一个 “ 自适应振荡器 ” 模型，将光感受、光适应、鞭毛动力学与行为切换统一在同一理论框架下。适应性反馈不仅决定了个体趋光的正负选择，还能通过调控振荡频率和阈值，推进从个体到群体的多尺度行为模式。这一机制为理解和模拟微型游动生物的复杂环境适应提供了新范式。

科学意义与应用前景

该成果在实验和理论层面系统揭示了微生物在多时间尺度自适应响应下，如何实现从单细胞行为切换到集体模式的跨尺度调控。文章不仅解决了以往关于趋光性转换机制的争议，还为发展人工仿生微型机器人、智能材料乃至疾病治疗中的微型药物输送系统，提供了生物物理基础和设计灵感。

此外，研究还指出，这种 “ 振荡型趋光性 ” 本质上扩大了微生物对光环境的适应范围，既能帮助个体避免过强光造成的损伤，又能通过集体行为实现光防护，为理解群体生物自组织和生态适应提供了新视角。

https://doi.org/10.1073/pnas.2425369122

制版人： 十一

参考文献

[1] K. R. Arrigo, Marine microorganisms and global nutrient cycles.Nature437, 349–355 (2005).

[2] R. E. Goldstein, Green algae as model organisms for biological fluid dynamics.Annu. Rev. Fluid Mech.47, 343–375 (2015).

[3] K. Drescher, R. E. Goldstein, I. Tuval, Fidelity of adaptive phototaxis.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.107, 11171–11176 (2010)

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