许多种类的浮游生物在寒冷、黑暗的海洋深处与表面之间移动，随后又漂回阴影中，形成一个持续的循环。然而，理解典型缺乏游泳结构的单细胞植物浮游生物如何进行这段旅程一直是一个难题。最近发表在《当前生物学》期刊上的一项研究揭示了一种发光植物浮游生物的见解，名为Pyrocystis noctiluca，它的体积可扩展到原始大小的六倍——仅几百微米。这种显著的膨胀使得这种浮游生物能够向海洋表面上升最多200米，以获取阳光，然后再沉回深处，展示了其在海洋中长途旅行的独特方式。
植物浮游生物的密度往往比海水密度高5%-10%，这意味着它们需要找到一种方法来抵抗重力，以保持在表面并进行光合作用。“我们专注于似乎缺乏游泳附肢的生物，”斯坦福大学海洋生物学家兼生物工程师Manu Prakash解释道，他是这项研究的资深作者。“我们的发现表明，这些P. noctiluca细胞的行为像微型潜艇，巧妙地调节其密度以选择在水柱中的位置。”
在夏威夷附近的一艘研究船上，Prakash和主要作者之一的博士后Adam Larson遇到了P. noctiluca的繁殖，并在他们的网中观察到两种明显不同大小的浮游生物。“我们花了一些时间来理解这一点，直到我们录制了视频显示细胞的剧烈膨胀，”Larson回忆道。“这种膨胀可以非常迅速地发生，因此如果你离开显微镜仅10分钟，你可能会错过它。”
为了研究这种快速扩张的影响，研究团队使用了一种他们称之为“重力机器”的创新设备。“这个机器允许我们在几乎无尽的水环境中详细观察单个细胞，”Prakash解释道。“它类似于小动物的摩天轮，但用于单个细胞。该设备的大小相当于一个晚餐盘，并且会旋转，欺骗细胞感知它在其自身参考系中上升或下降。”通过改变重力机器内的水压和密度，研究人员能够模拟海洋深处的条件。他们发现，膨胀的细胞与周围海水相比，其密度较低，从而使其能够向模拟表面上升，克服重力的影响。
进一步的检查表明，这种膨胀是作为浮游生物细胞周期的一部分而自然发生的。当一个单细胞植物浮游生物分裂成两个时，一个内部结构称为液泡——类似于一个灵活的水箱——吸收淡水，导致新细胞的体积大幅增加。结果形成的子细胞因含有更轻的淡水而浮起。“我们意识到这是一种在细胞分裂期间‘弹弓式’前进的机智策略，”Prakash说道。“在典型生长过程中，植物浮游生物合成大量的蛋白质和生物量，直到它们变得太重而沉入水底。然后，它们在更深的水域分裂，利用膨胀恢复到原来的大小。”
整个细胞周期大约持续七天，与浮游生物对光和养分的追求相一致。“这个周期展示了它如何可能进化，”Prakash表示。“第一次，我们有有力的证据表明细胞周期这一管理细胞功能和分裂的基本机制可能受到生态因素的影响。”
通过将理论框架应用于他们的发现，研究团队确定了限制和驱动这一进化过程的生态参数。“每个细胞都面临向下的重力拉力，除非它们或它们的后代抵抗，否则最终会沉入海底，”斯坦福大学的另一位主要作者、博士后研究员Rahul Chajwa说。现在，利用从重力机器和他们的生态及生理研究中获得的见解，团队建立了一个潜在适用于海洋中所有浮游生物的数学框架。
展望未来，Prakash的实验室旨在探索围绕多种可能利用新生化策略来调节其在水柱中密度和运动的浮游生物物种的更多谜团。“我们目前在我们的行为图谱中记录了大约600种物种，并正在系统地研究一系列机制。我们的研究显示，有多种策略正在为此目的而进化。很高兴知道我们有一份长长的生物清单需要调查，因为数百万种物种栖息在海洋中——这仅仅是开始，”他总结道。
李宏全，Prakash实验室的一名研究生，也是这项研究的贡献者。
