天鹅长吻虫的独特捕食技巧

作者: 拉尔斯·菲舍尔(Lars Fischer)

来源: 环球科学

发布日期: 2024-08-15

本文探讨了天鹅长吻虫如何通过独特的几何机制实现其惊人的捕食技巧,揭示了其细胞膜的折叠和展开过程,以及这一过程如何帮助它在不消耗大量能量的情况下迅速伸长和缩回长吻。

想象一个身高1.83米的人,将脖子伸长到近60米,然后若无其事地收回来。这种行为相当奇怪,却是单细胞生物天鹅长吻虫(Lacrymaria olor)独特的捕食技巧。天鹅长吻虫平时呈泪滴状,体长约40微米,末端有一个小突起。在探测到食物的一瞬间,长吻虫的突起会猛地伸长,长至自身长度约30倍,像尼斯湖水怪一样捕捉远处的猎物。而后,这一突起又会快速缩回,仿佛什么都没有发生过。

这样复杂的行为一直令科学家很费解,天鹅长吻虫究竟如何存储如此长的吻部,它又是如何在不撕裂细胞膜的情况下迅速伸长和缩回长吻。出于强烈的好奇,在过去的7年里,美国斯坦福大学生物工程系的副教授马努·普拉卡什(Manu Prakash)和研究生埃利奥特·弗劳姆(Eliott Flaum)研究了这种原生生物的一举一动。最近,他们似乎终于解开了这一谜题。

在《科学》(Science)上发表的一篇文章中,弗劳姆和普拉卡什揭示了一种在生物学中从未被发现过的几何机制。他们发现,天鹅长吻虫的细胞膜及其内部结构会像折纸一样折叠,因此可以被轻松地拉开并重新折叠。通过结合显微镜观测和实时成像,弗劳姆和普拉卡什发现天鹅长吻虫细胞膜的骨架——微管蛋白在长吻处以螺旋状层层折叠排布,而细胞膜则像一层薄纱一样,以整齐、轮廓分明的褶皱形式隐藏在细胞内部。

随着微管的卷曲和展开,细胞膜也会随之有序地展开,形成接近圆柱体的结构。“如果用这种方式在螺旋形状的锥状结构上存储褶皱,你几乎可以存储无限量的材料,”弗劳姆解释道。事实上,长吻虫折叠的过程与吉村折纸(Yoshimura origami)有些相似,不过,吉村折纸中的圆柱由一系列可以展开和折叠的菱形网格组成。

从数学上看,长吻虫这种折纸结构不可能以任何其他方式展开或折叠,这也让它的伸长和回缩无比稳定,且能够以最小的能量成本控制这一过程。这意味着,它变形所需的力和能量都很小。然而,围绕天鹅长吻虫的谜团依然没有完全解开:当微米级的物体在水中相向移动,会自然地产生排斥力,此时突出的长吻应该会使得猎物漂走。这种情况当然没有发生,其背后的机制仍有待探索。

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