為何原生生物能夠快速進行細胞間的通訊？

　　遠距離可靠快速地傳遞信息對于細胞在復雜環境中的存活至關重要，多細胞生物已經進化出了能以100米/秒的速度沿神經元傳遞信號的方法，在單細胞世界中，當在細胞間傳遞信號時，有機體會依賴于其外部介質，近日，一項刊登在國際雜志Nature上的研究報告中，研究者Mathijssen等人表示，當稱為原生生物的單細胞生物經歷快速的細胞收縮時，生物體所處的流體會被激起，由此產生的流體流動會引發整個原生生物收縮行為的超快速傳播，同時收縮也會伴隨著毒素的釋放，毒素釋放是一種防御形式，在充滿掠食者的危險水生環境中，誘發群體水平收縮的能力對于原生生物的生存至關重要。

　　研究人員對一種名為大旋口蟲（Spirostomum ambiguum，圖1）的原生生物進行了研究，其長度僅為1.3毫米，這使其成為了單細胞生物中的巨大物種，自從19世紀晚期生物學家恩斯特-海克爾（Ernst Haeckel）報道了關于原生生物的經典研究以來，大旋口蟲就成為了科學家們研究的重點對象，因為其能夠以比眨眼速度還快100倍的速度收縮到其原始長度的40%左右，盡管長期以來科學家們一直在深入理解這種收縮行為背后的細胞和分子機制，但該領域依然是生物學研究中一個相對被忽視的學科。

　　如今研究者Mathijssen及其同事開始從生物物理學的角度來探討這個話題，他們的結果提示了大旋口蟲收縮的速度是如此之快，利用每秒能夠捕捉10000幀的高速視頻顯微鏡，研究人員拍攝了數千張大旋口蟲細胞收縮的圖像，并全面量化了它們的收縮速度。研究者發現，在5毫秒收縮期間，原生生物的加速能夠達到相當于14g的重力，這是讓人印象非常深刻的，這種力量對于大旋口蟲而言沒有任何問題，在快速收縮之后，大旋口蟲會在大約1秒的時間內緩慢放松，隨后其就會重復這個過程。

　　在對大旋口蟲收縮的參數進行量化后，研究者希望能夠深入研究這種現象，從而理解其在微觀世界中的影響和效應，研究者觀察到，收縮會在生物體周圍產生長距離的流體流動，當他們使用串珠來觀察流動時，他們發現，這些流體隨著時間看起來像膨脹的漩渦，利用已經建立的的方程來描述流體的運動，研究者在計算機模擬中概括了這種流動模式，這就表明，在充分均質的介質中，收縮會產生能促進原生生物周圍物質擴散的流動力。

　　那么到底是什么誘發了這種收縮作用呢？生物學家認為這是一種受到驚嚇的反應，或許是對捕食者的天然反應，然而其中具體的分子機制研究人員并不清楚，研究者Mathijssen則認為，誘發收縮的原因可能是有機體或捕食者所產生的周圍流體的流動所致。為了驗證這種假設，研究人員開發了一種特殊裝置，在該裝置中，大旋口蟲的細胞能以一種不斷增加的速度暴露于流體流動中，利用流體動力學方法，研究者將誘發收縮的流動速度與生物膜中流動所引發的張力水平相關聯起來，他們發現，誘發收縮的流動誘導張力水平與打開細胞膜中機械敏感性離子通道所需要的張力之間存在著顯著的相似性，原生生物能夠利用機械敏感離子通道來感知流體流動，而且理論和實驗研究結果都表明，一旦流量達到一定的閾值就會引發細胞收縮。

　　研究者指出，目前我們還需要研究證據來證明，剔除大旋口蟲細胞中的機械敏感通道或會影響有機體對流體流動的反應能力，這種操作目前無法在大旋口蟲是無法進行的，無論細胞收縮的具體分子機制如何，研究人員進行的研究都清楚地表明，流動的確可以引發細胞收縮，鑒于細胞收縮自身會產生流體流動，研究者想知道當許多大旋口蟲細胞緊密連接時會發生什么？其能否通過所產生的流量來引發細胞彼此之間進行收縮呢？值得注意的是，體外培養的大旋口蟲更傾向于自我組裝成為細胞簇，當細胞達到一定的密度時，原生生物就會表現出一種驚人的成群現象，即一個細胞自發收縮，就會觸發附近細胞的收縮，從而在細胞群中傳播收縮信號（圖1）。

　　這種收縮信號會以較高的速度傳播，速度為0.25m/s，隨后研究者進一步利用強大的理論框架來模擬信號波的觸發和傳播，其會根據大旋口蟲細胞的方向、形狀和密度來產生不同的模擬狀態，隨后研究者將這些理論分析與實驗結果進行比較，確定了大旋口蟲可能產生快速集體收縮信號的閾值細胞密度。

　　那么這種集體收縮能用來干什么呢？通過模擬研究后，研究者發現，收縮信號波的一個可能功能就是響應捕食者同時排出毒素，由大型食肉動物所產生的流量或捕食者試圖攝入單個大旋口蟲或許就會產生一種起始的觸發因素，誘導細胞群向周圍培養基中釋放大量毒素，檢測這一假設則需要研究人員針對性地操作來解決毒素釋放事件中的流動產生和細胞傳感過程。

　　許多原生生物都會表現出快速的收縮現象，而諸如細菌和魚類等許多細胞和有機體生物則會產生并感知液體的流動，研究這些液體流動產生和感知的機制或許是未來科學家們非常關注的一個研究領域，而且生物學家和物理學家未來或許也將會進行跨界合作闡明誘發收縮過程細胞信號傳播的過程和機制。