为何原生生物能够快速进行细胞间的通讯？

　　远距离可靠快速地传递信息对于细胞在复杂环境中的存活至关重要，多细胞生物已经进化出了能以100米/秒的速度沿神经元传递信号的方法，在单细胞世界中，当在细胞间传递信号时，有机体会依赖于其外部介质，近日，一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，研究者Mathijssen等人表示，当称为原生生物的单细胞生物经历快速的细胞收缩时，生物体所处的流体会被激起，由此产生的流体流动会引发整个原生生物收缩行为的超快速传播，同时收缩也会伴随着毒素的释放，毒素释放是一种防御形式，在充满掠食者的危险水生环境中，诱发群体水平收缩的能力对于原生生物的生存至关重要。

　　研究人员对一种名为大旋口虫（Spirostomum ambiguum，图1）的原生生物进行了研究，其长度仅为1.3毫米，这使其成为了单细胞生物中的巨大物种，自从19世纪晚期生物学家恩斯特-海克尔（Ernst Haeckel）报道了关于原生生物的经典研究以来，大旋口虫就成为了科学家们研究的重点对象，因为其能够以比眨眼速度还快100倍的速度收缩到其原始长度的40%左右，尽管长期以来科学家们一直在深入理解这种收缩行为背后的细胞和分子机制，但该领域依然是生物学研究中一个相对被忽视的学科。

　　如今研究者Mathijssen及其同事开始从生物物理学的角度来探讨这个话题，他们的结果提示了大旋口虫收缩的速度是如此之快，利用每秒能够捕捉10000帧的高速视频显微镜，研究人员拍摄了数千张大旋口虫细胞收缩的图像，并全面量化了它们的收缩速度。研究者发现，在5毫秒收缩期间，原生生物的加速能够达到相当于14g的重力，这是让人印象非常深刻的，这种力量对于大旋口虫而言没有任何问题，在快速收缩之后，大旋口虫会在大约1秒的时间内缓慢放松，随后其就会重复这个过程。

　　在对大旋口虫收缩的参数进行量化后，研究者希望能够深入研究这种现象，从而理解其在微观世界中的影响和效应，研究者观察到，收缩会在生物体周围产生长距离的流体流动，当他们使用串珠来观察流动时，他们发现，这些流体随着时间看起来像膨胀的漩涡，利用已经建立的的方程来描述流体的运动，研究者在计算机模拟中概括了这种流动模式，这就表明，在充分均质的介质中，收缩会产生能促进原生生物周围物质扩散的流动力。

　　那么到底是什么诱发了这种收缩作用呢？生物学家认为这是一种受到惊吓的反应，或许是对捕食者的天然反应，然而其中具体的分子机制研究人员并不清楚，研究者Mathijssen则认为，诱发收缩的原因可能是有机体或捕食者所产生的周围流体的流动所致。为了验证这种假设，研究人员开发了一种特殊装置，在该装置中，大旋口虫的细胞能以一种不断增加的速度暴露于流体流动中，利用流体动力学方法，研究者将诱发收缩的流动速度与生物膜中流动所引发的张力水平相关联起来，他们发现，诱发收缩的流动诱导张力水平与打开细胞膜中机械敏感性离子通道所需要的张力之间存在着显著的相似性，原生生物能够利用机械敏感离子通道来感知流体流动，而且理论和实验研究结果都表明，一旦流量达到一定的阈值就会引发细胞收缩。

　　研究者指出，目前我们还需要研究证据来证明，剔除大旋口虫细胞中的机械敏感通道或会影响有机体对流体流动的反应能力，这种操作目前无法在大旋口虫是无法进行的，无论细胞收缩的具体分子机制如何，研究人员进行的研究都清楚地表明，流动的确可以引发细胞收缩，鉴于细胞收缩自身会产生流体流动，研究者想知道当许多大旋口虫细胞紧密连接时会发生什么？其能否通过所产生的流量来引发细胞彼此之间进行收缩呢？值得注意的是，体外培养的大旋口虫更倾向于自我组装成为细胞簇，当细胞达到一定的密度时，原生生物就会表现出一种惊人的成群现象，即一个细胞自发收缩，就会触发附近细胞的收缩，从而在细胞群中传播收缩信号（图1）。

　　这种收缩信号会以较高的速度传播，速度为0.25m/s，随后研究者进一步利用强大的理论框架来模拟信号波的触发和传播，其会根据大旋口虫细胞的方向、形状和密度来产生不同的模拟状态，随后研究者将这些理论分析与实验结果进行比较，确定了大旋口虫可能产生快速集体收缩信号的阈值细胞密度。

　　那么这种集体收缩能用来干什么呢？通过模拟研究后，研究者发现，收缩信号波的一个可能功能就是响应捕食者同时排出毒素，由大型食肉动物所产生的流量或捕食者试图摄入单个大旋口虫或许就会产生一种起始的触发因素，诱导细胞群向周围培养基中释放大量毒素，检测这一假设则需要研究人员针对性地操作来解决毒素释放事件中的流动产生和细胞传感过程。

　　许多原生生物都会表现出快速的收缩现象，而诸如细菌和鱼类等许多细胞和有机体生物则会产生并感知液体的流动，研究这些液体流动产生和感知的机制或许是未来科学家们非常关注的一个研究领域，而且生物学家和物理学家未来或许也将会进行跨界合作阐明诱发收缩过程细胞信号传播的过程和机制。