“天鵝淚”單細(xì)胞折紙般的褶皺使其能夠?qū)崿F(xiàn)極端變形。圖片來源：斯坦福大學(xué)普拉卡什實驗室

科技日報記者?張夢然

對于微生物世界的捕食者來說，要依靠極端變形能力，譬如將脖子伸展到體長的30多倍來釋放致命的攻擊。這個操作中，“折紙細(xì)胞”的幾何形狀是關(guān)鍵因素。最新發(fā)表在《科學(xué)》上的研究報告，揭示了名為“天鵝淚”的單細(xì)胞具有快速超伸展性的秘密。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了生物的極端變形機制，還將極大激發(fā)人們在柔性材料工程或機器人系統(tǒng)設(shè)計方面的創(chuàng)新潛力。

單細(xì)胞原生生物可以做出細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)變：僅40微米長的“天鵝淚”，就可在不到30秒的時間內(nèi)，反復(fù)將它的“頸部”拉伸到1500微米然后又快速縮回，只為捕捉遠(yuǎn)處的獵物。科學(xué)家一直不能理解為何這種神奇的能力會來自一個沒有神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞。

現(xiàn)在，美國斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，該行為是生物學(xué)中一種不為人知的幾何機制。研究顯示，這個單細(xì)胞生物的行為已被編碼在其細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)中，就像人類的行為被編碼在神經(jīng)回路中一樣。

具體來說，這一行為其實是傳統(tǒng)折紙的一個分支，被稱為“曲線折紙”。它基于一種薄螺旋微管結(jié)構(gòu)，這些微管形狀如肋骨一樣，包裹在一層透明膜中，形成了一系列“山峰和山谷”褶皺般的折痕圖案。

為了在亞細(xì)胞水平上觀察“天鵝淚”的獨特機制，團(tuán)隊結(jié)合使用了實時成像、共聚焦和透射電子顯微鏡等技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜被折疊成15個褶皺，就像手風(fēng)琴的風(fēng)箱一樣。這些褶皺又共同形成一個彎曲的折痕，能實現(xiàn)“頸部”快速和可重復(fù)的過度伸展。這種復(fù)雜的折疊方案還引導(dǎo)了膜折痕現(xiàn)象，確保其在極端變形期間快速有效地操作。

團(tuán)隊還開發(fā)了一個機械紙模型去模仿“天鵝淚”的彎曲折痕折紙結(jié)構(gòu)，以更好地理解這難以置信的生物動力學(xué)。

總編輯圈點

許多自然界的生物具有不可思議的“超能力”。追本溯源，這些能力是在長達(dá)億萬年的自然選擇中，經(jīng)歷物競天擇、適者生存的殘酷考驗，不斷進(jìn)化形成的，無怪乎如此厲害。正因如此，在向各種生物“拜師學(xué)習(xí)”的過程中，人類受益匪淺：鸚鵡螺啟發(fā)了潛水艇的研制；水母為綠色熒光蛋白的應(yīng)用激發(fā)靈感；如今，微生物的“折紙細(xì)胞”又為柔性機器人設(shè)計提供新思路……此類案例俯拾皆是，令人感嘆，大自然真是一本深邃無比的“天書”！