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。