Coscinodiscus wailesii 硅藻附有 Pseudovorticella coscinodisci 纖毛蟲外緣。條紋線來源于纖毛蟲外生體產(chǎn)生的流動。源視頻以每秒 500 幀的速度捕獲，圖像在 200 幀間隔內(nèi)集成了粒子路徑。圖片來源：Kanso 等人，PNAS，2021。

光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷史——十七世紀(jì)的顯微科學(xué)

顯微鏡(microscope)是一種借助物理方法產(chǎn)生物體放大影像的儀器。最早發(fā)明于16世紀(jì)晚期，至今已有400多年的歷史?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成為了一種極為重要的科學(xué)儀器，廣泛地用于生物、化學(xué)、物理、冶金、釀造等各種科研活動，對人類的發(fā)展做出了巨大而卓越的貢獻(xiàn)。

當(dāng)采摘物很少時，饑餓的海洋微生物會做什么？它必須捕獲營養(yǎng)物質(zhì)——氮、磷或鐵——才能生存，但在廣闊的海洋中，營養(yǎng)物質(zhì)極其稀缺。而且風(fēng)險很高：海洋微生物群落推動了許多維持地球上所有生命的元素循環(huán)。

本周《美國國家科學(xué)院院刊》報道了一項(xiàng)針對這一挑戰(zhàn)的巧妙解決方案。在低營養(yǎng)環(huán)境中，海洋微生物可以聚集在一起，并與表面上具有振動的毛狀附屬物（纖毛）的更小的細(xì)胞相連。跳動的纖毛產(chǎn)生微電流，可以在微生物的范圍內(nèi)吸收多達(dá) 10 倍的營養(yǎng)物質(zhì)，從而通過合作提供食物。

普羅維登斯學(xué)院和伍茲霍爾海洋生物實(shí)驗(yàn)室 (MBL) 的高級通訊作者約翰·H·科斯特洛說，即使海洋非常動蕩，微生物也可以捎帶進(jìn)入聯(lián)盟進(jìn)行分工，大部分研究都是在那里進(jìn)行的。

“在所有條件下，除了最極端的混合，這些微生物細(xì)胞生活在比海洋混合產(chǎn)生的渦流更小的流體空間中，”科斯特洛說?！霸谒麄兊氖澜缋?，周圍的液體總是粘稠的，他們不會像人類感覺到的那樣經(jīng)歷湍流漩渦。”

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為粒子圖像測速 (PIV) 的技術(shù)來測量光合海洋硅藻Coscinodiscus wailesii周圍流體流動的方向和大小，無論是否附著有纖毛蟲“伙伴”?Pseudovorticella coscinodisci。他們發(fā)現(xiàn)，由纖毛跳動產(chǎn)生的流體流動可以增加硅藻細(xì)胞表面的營養(yǎng)通量，比單獨(dú)的硅藻通量高 4-10 倍。

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這種合作解決方案是微生物應(yīng)對低營養(yǎng)環(huán)境的一種方式。另一種先前已知的單個細(xì)胞策略是下沉到更深的深度，這會在細(xì)胞和周圍水之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，并增加其暴露于更高營養(yǎng)濃度的情況。

“在低營養(yǎng)條件下，下沉可能會很好地發(fā)揮作用，在這種條件下，混合會使細(xì)胞從深處重新循環(huán)到陽光照射的層，”科斯特洛說?！斑@樣，硅藻沉沒的風(fēng)險可能會被返回高光環(huán)境的可能性所抵消。但在低混合條件下，與纖毛蟲形成聯(lián)合體可能是解決營養(yǎng)供應(yīng)不足的更有利的解決方案?！?/p>

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硅藻是用于從大氣中去除二氧化碳的最重要的單細(xì)胞光合作用組之一。因此，這項(xiàng)研究有助于闡明海洋與大氣的交流，這對于了解氣候變化變得越來越重要。

“我們已經(jīng)描述了一種協(xié)作解決方案——聯(lián)合體的形成——已經(jīng)在微觀尺度上進(jìn)化，使這種大型硅藻物種能夠成功地在低營養(yǎng)水域中生存，否則這似乎會限制它的成功，”科斯特洛說。

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