身體瞬間變長三十倍神奇生物的秘密終于解開了

在自然界中， 一些動物（ 例如食蟻獸） 會伸出長長的舌頭用于捕獵。這種特殊功能增加了動物個體覓食的范圍，讓它們獲得更大的生存優勢。

動物界的這種行為相信不少讀者都不陌生， 但如果做到這一點的， 僅僅是一枚單細胞生物呢？

天鵝長吻蟲屬于原生生物， 作為一種單細胞的纖毛蟲， 它們具有非常獨特的捕食技巧。正常情況下， 其細胞形態有點類似于淚滴狀， 顯然稱不上特殊。但在捕食時， 它們形似長頸的吻（ 用于吸附食物的工具） 會突然向隨機方向伸長，用來搜尋、捕獲食物。

這些細胞的體長只有40微米，在不到30秒的時間內，它們的長吻卻可以拉伸至1200微米，相當于自身體長的30倍！完成覓食后，這個結構又以相同的速度收縮回去。而且，這項能力不是一次性的，它們一生中可以伸縮超過2萬次并且不出故障，可以稱得上經久耐用。

問題自然來了——這些連神經系統都沒有的生物，是如何做到這一點的？具體來說，這個長長的吻平時儲存在哪里，又是如何反復伸展、收縮的？

近日，美國斯坦福大學的普拉卡什教授與研究生福萊姆從亞細胞層面解開了真相。研究發現，這種纖毛蟲的細胞膜擁有一種類似于折紙的機制，這些“折痕”的存在使得長吻可以在折疊與展開的狀態之間迅速來回切換。這一發現不僅破解了天鵝長吻蟲的秘密，還有望在微型機器人等領域發揮作用。

對科學家們來說， 這個問題其實屬于細胞形態動力學的范疇。要探索這種極限的形態動力行為， 前提自然是看清細胞的形態變化。在該研究中，通過利用實時活體成像、共聚焦和透射電子顯微鏡等技術，研究團隊繪制了天鵝長吻蟲的亞細胞成分， 包括皮質細胞骨架和膜結構。

通過高分辨率成像， 研究發現長吻的迅速延伸是由皮質細胞骨架的螺旋結構支撐的。在天鵝長吻蟲的細胞骨架上，有15層螺旋狀的微管絲，它們有點類似于手風琴或者折扇， 在細胞膜上形成了一道道褶皺。也就是說， 細胞的長吻在不使用的情況下， 正是通過這種類似于折紙的方式“ 折疊” 收縮了起來， 同時將大量能量儲存在這些褶皺中。而當需要伸長時， 這些褶皺又依次解旋， 因此可以快速地反復向外延伸。

研究團隊表示， 這是人們首次發現細胞“折紙”的案例。

接下來， 這種結構的優勢也得到了解釋。我們在生活中都有體會，沿著折痕來折紙會顯得很容易。同樣，對于這些細胞來說，有序折疊的機制意味著只需要少量的能量就可以在折痕處旋轉、彎曲細胞膜，避免了拉伸細胞膜消耗的大量能量；此外，在折疊與展開狀態之間轉換時，需要的能量也更低。因此，這種螺旋結構引導了細胞膜褶皺和有序折疊，這正是這些神奇生物快速伸縮長吻的秘密。

需要指出的是， 無論是用手風琴、折扇，還是可以折疊壓縮的吸管來作類比，這些來自生活中的案例可以幫助我們理解褶皺的作用，但并不意味著天鵝長吻蟲的折疊方式就與這些案例完全一致。

研究團隊還從拓撲學的角度解釋了它們伸縮的方式。他們在細胞膜和微管絲上各自發現了一種拓撲奇點——結構同時折疊與展開的點。正是這些拓撲奇點控制了長吻的拉伸與收縮行為。雖然拓撲結構很復雜，但研究團隊建立了天鵝長吻蟲“折紙”放大模型，展示了長吻解旋伸長的具體方式。

就這樣， 研究團隊首次解釋了如此簡單的細胞如何做出令人難以置信的形態動力學動作。對于這些科學家來說，驅使他們開展這項研究的重要因素就是這種生命過程的驚奇與趣味，但這項研究的意義還不止于滿足人們的好奇心。

研究揭示了單細胞中極端變形行為的幾何控制機制，對這種結構的深入理解可為合成具有可變形特性的細胞骨架生物工程材料打開新的大門。此外，這項研究還為微型機器人提供了新的靈感。研究團隊暢想，可展開的新型機器有望在空間望遠鏡、手術機器人等不同場景中發揮作用。