斯坦福大學(xué)生物工程副教授曼努·普拉卡什提到他最近的研究興趣時(shí)說(shuō)：“有些事情一旦看過(guò)，就永遠無(wú)法忘記。”他展示了一個(gè)關(guān)于單細胞生物L(fēng)acrymaria olor的視頻，這是一種自由生活的原生生物，他在使用折紙顯微鏡Foldscope時(shí)偶然發(fā)現的。“這實(shí)在是…太…太迷人了。”

普拉卡什實(shí)驗室的研究生艾略特·弗勞姆說(shuō)：“自從曼努向我展示這個(gè)細胞以來(lái)，我就一直被它吸引。”普拉卡什和弗勞姆花了七年時(shí)間研究Lacrymaria olor的每一個(gè)動(dòng)作，并最近在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

弗勞姆說(shuō)：“我第一次帶回熒光顯微圖像時(shí)，它的美麗令人窒息。那張圖片收錄在了論文中。”

普拉卡什播放的視頻顯示了這種生物不僅僅是一幅漂亮的圖像：一個(gè)淚滴形狀的細胞在一滴池塘水中游動(dòng)。瞬間，一個(gè)細長(cháng)的“頸部”從其圓潤的下端伸出。它不斷伸展。然后，頸部就像什么都沒(méi)有發(fā)生一樣迅速縮回。

幾秒鐘內，一個(gè)原本只有40微米長(cháng)的細胞突然伸出了一個(gè)1500微米甚至更長(cháng)的頸部。這相當于一個(gè)六英尺高的人將其頭部伸展出200多英尺。所有這些都來(lái)自一個(gè)沒(méi)有神經(jīng)系統的細胞。

圖片信息：一種纖毛蟲(chóng)，它的“脖子”可以伸展和收縮。研究人員發(fā)現，類(lèi)似折紙的折疊使這種變形成為可能，微管定義了折疊褶皺。

普拉卡什帶著(zhù)笑容說(shuō)：“這是極其復雜的行為。”

形式即功能

L. olor之所以被刊登在《科學(xué)》雜志上，是因為普拉卡什和弗勞姆在這種行為中發(fā)現了一個(gè)以前在生物學(xué)中未知的新的幾何機制。他們是第一批解釋這種簡(jiǎn)單細胞如何產(chǎn)生如此不可思議的形態(tài)動(dòng)力學(xué)、美麗的折疊和展開(kāi)——也就是說(shuō)，在單細胞規模上反復無(wú)誤地進(jìn)行的所謂折紙藝術(shù)。

這是幾何學(xué)。L. olor的行為在其細胞骨架結構中被編碼，正如人類(lèi)行為在神經(jīng)電路中被編碼一樣。

普拉卡什說(shuō)：“這是細胞折紙的首個(gè)例子。我們正在考慮將其命名為‘lacrygami’。”

圖片信息：彎曲折痕折紙在一個(gè)單一的細胞，使其快速，可逆的過(guò)度伸展。

具體來(lái)說(shuō)，這屬于傳統折紙中的“曲線(xiàn)折痕折紙”。它基于細胞膜內部細薄的、螺旋形的微管——肋骨，這些微管定義了一系列山脊和山谷折痕的褶皺圖案。

普拉卡什和弗勞姆利用透射電子顯微鏡和其他先進(jìn)的研究技術(shù)展示了實(shí)際上有15條這樣的堅硬螺旋微管帶包裹著(zhù)L. olor的細胞膜——一種細胞骨架。這些管狀結構可以卷曲和展開(kāi)，導致長(cháng)時(shí)間的伸展和收縮，它們像壓縮的螺旋風(fēng)琴的風(fēng)箱一樣，重新套疊回自身。膜的薄紗在細胞內部整齊地折疊成精確定義的褶皺。

弗勞姆解釋說(shuō)：“當你以這種螺旋角度存儲褶皺時(shí)，你可以存儲無(wú)限量的材料。生物學(xué)已經(jīng)發(fā)現了這一點(diǎn)。”

幾何是命運

優(yōu)雅體現在算術(shù)上。這種結構以任何其他方式展開(kāi)都是數學(xué)上不可能的——反之亦然，它只有一種方式可以收縮。普拉卡什認為更令人驚訝的是這種結構的穩健性。他說(shuō)，在其一生中，L. olor將執行這種投射和收縮50,000次而不出錯：“L. olor被其幾何性質(zhì)束縛，以這種特定的方式折疊和展開(kāi)。”

關(guān)鍵是在肋骨扭轉和折疊膜開(kāi)始展開(kāi)的精確點(diǎn)發(fā)生的一種未被充分研究的數學(xué)現象。這是一個(gè)奇點(diǎn)——一個(gè)結構同時(shí)折疊和展開(kāi)的點(diǎn)。它既是也不是——獨特的。

普拉卡什拿起一張紙，將其折成圓錐形，然后拉動(dòng)紙張的一個(gè)角來(lái)演示這種奇點(diǎn)（稱(chēng)為d-錐）如何在紙張上整齊地穿過(guò)。通過(guò)推回角落，奇點(diǎn)沿著(zhù)完全相同的路徑返回到原位。

普拉卡什解釋說(shuō)：“它在這個(gè)奇點(diǎn)上展開(kāi)和折疊，每次都充當控制器。這是首次在活細胞中描述幾何行為的控制器。”

休閑生物學(xué)

普拉卡什實(shí)驗室的工作中始終貫穿著(zhù)一種深刻的驚奇感和玩味性，這促使他們能夠持續如此長(cháng)時(shí)間地追求這樣的想法。用普拉卡什的話(huà)來(lái)說(shuō)，這是老派的科學(xué)。他還稱(chēng)之為休閑生物學(xué)。

為了展示他的靈感，普拉卡什展示了他選擇研究的其他單細胞生物的家族樹(shù)。確實(shí)，沒(méi)有哪個(gè)能像L. olor那樣做到，他說(shuō)。但這些復雜的幾何形態(tài)有成千上萬(wàn)種。美麗？當然，但每一種都隱藏著(zhù)奇妙且未被書(shū)寫(xiě)的規則。

普拉卡什帶著(zhù)科學(xué)家能夠表現的所有嚴肅性解釋說(shuō)：“我們從一個(gè)謎題開(kāi)始。艾麗和我提出了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題：這些材料從哪里來(lái)？又會(huì )去哪里？作為我們的游樂(lè )場(chǎng)，我們選擇了生命之樹(shù)。七年后，我們就在這里了。”

至于實(shí)際應用，身為工程師的普拉卡什已經(jīng)在想象一個(gè)新時(shí)代的可部署微觀(guān)“生命機器”，這些機器可能會(huì )改變從太空望遠鏡到手術(shù)室中的微型外科機器人的一切。

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adk5511