“折紙細胞”極端變形能力揭秘

“天鵝淚”單細胞折紙般的褶皺使其能夠實現極端變形。圖片來源：斯坦福大學普拉卡什實驗室

科技日報北京6月10日電 （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，“折紙細胞”的幾何形狀是關鍵因素。最新發表在《科學》上的研究報告，揭示了名為“天鵝淚”的單細胞具有快速超伸展性的秘密。這一發現不僅解釋了生物的極端變形機制，還將極大激發人們在柔性材料工程或機器人系統設計方面的創新潛力。

單細胞原生生物可以做出細胞結構的重大轉變：僅40微米長的“天鵝淚”，就可在不到30秒的時間內，反復將它的“頸部”拉伸到1500微米然后又快速縮回，只為捕捉遠處的獵物。科學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系統的細胞。

現在，美國斯坦福大學研究團隊發現，該行為是生物學中一種不為人知的幾何機制。研究顯示，這個單細胞生物的行為已被編碼在其細胞骨架結構中，就像人類的行為被編碼在神經回路中一樣。

具體來說，這一行為其實是傳統折紙的一個分支，被稱為“曲線折紙”。它基于一種薄螺旋微管結構，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。

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

團隊還開發了一個機械紙模型去模仿“天鵝淚”的彎曲折痕折紙結構，以更好地理解這難以置信的生物動力學。

許多自然界的生物具有不可思議的“超能力”。追本溯源，這些能力是在長達億萬年的自然選擇中，經歷物競天擇、適者生存的殘酷考驗，不斷進化形成的，無怪乎如此厲害。正因如此，在向各種生物“拜師學習”的過程中，人類受益匪淺：鸚鵡螺啟發了潛水艇的研制；水母為綠色熒光蛋白的應用激發靈感；如今，微生物的“折紙細胞”又為柔性機器人設計提供新思路……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”！