发布日期： 2024年11月20日
来源：AAAS
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好东西多了反而不好。生物体享受阳光——事实上，它们需要阳光来维持生命——但它们往往会避免过于明亮的光线。动物会去它们的庇护所，人类会午睡，甚至植物也有避免过度光照的机制。但是，不移动的单细胞生物如何应对过于强烈的光线呢？阿姆斯特丹大学的研究人员发现了令人惊讶的答案。
它的学名是月牙火孢子虫。你可能从未听说过这种单细胞藻类，但水手和渔民非常了解它的作用：月牙藻是一种偶尔会让海水发出蓝光的生物。月牙藻是鞭毛藻的一个例子，鞭毛藻是一种不能自己移动的单细胞生物。它的主要能量来源是阳光：与植物类似，它利用一种被称为叶绿体的结构将阳光中的能量转化为可用的化学能。
当我们周围的植物暴露在过于明亮的光线下时，它们采用了一种聪明的策略：它们的叶绿体在细胞内重新排列，并相互覆盖，以这样一种方式，只有必要数量的光被吸收，并防止对细胞的伤害。月牙藻不能使用同样的策略：它的叶绿体以复杂的网络形式组织，需要一种不同的运动形式来躲避强光。此外，藻类不能像动物和人类那样轻易地远离光线。这些生物是如何处理过多的光线的，这是一个科学之谜。这个谜现在已经解开了。
生物物理学家Nico Schramma， Gloria Casas Canales和Maziyar Jalaal设计了一种聪明的方法来研究月亮藻叶绿体暴露在光线下究竟发生了什么。利用显微镜，他们捕捉到细胞及其叶绿体的影像，然后用计算机算法将节点和边缘的网络与其复杂的形状相匹配。在改变光的颜色和强度的条件下，他们可以准确地跟踪细胞叶绿体的活动。
研究人员发现，虽然叶绿体不能逃避强光，但它可以通过收缩来最小化强光的影响。当暴露在明亮的白光下——基本上是阳光明媚的下午——细胞的叶绿体收缩成一个球，在五分钟内缩小了大约40%。当光照条件改为微弱的红光时，半小时内叶绿体就恢复了原来的大小和形状。
让叶绿体进行这些必要变化的结构被发现是一个由细丝组成的网络。这些细丝合在一起形成一种材料，可以很容易地向各个方向收缩和膨胀。关键是“全方位”：我们在自然界中发现的大多数结构都不具有这种特性。踩在一个柠檬上，虽然它的高度会急剧下降，但它的大小会在其他方向上增加，把它变成一个圆盘状的物体，但仍然有相当大的表面积。月牙蛾设法避免了这种自然行为。
这种允许叶绿体在各个方向缩小的结构有点类似于霍伯曼球——一种由查克·霍伯曼于1988年获得专利的设计，用于流行的儿童玩具。这一观察结果不仅将物理学家的研究与生物学联系起来，还将物理学家的研究与数学（更准确地说，是数学的一个分支，称为拓扑学）和材料设计联系起来。实验室制造的材料具有霍伯曼球体和月球藻叶绿体所显示的惊人特性，最近已经被深入研究，并考虑到各种各样的应用——例如，作为“智能材料”，当受到外部刺激时，它们的特性会发生显著变化。令人惊讶的是，工程师和物理学家在实验室里提出的聪明的解决方案，在现实生活中是存在的。
当一个科学问题得到解答时，有时会有许多其他的答案和发现随之而来。这很可能就是月牙藻和其他鞭毛藻如何设法避开强光的问题。它的答案不仅告诉我们更多关于这种微小的单细胞生物的知识，它偶尔会让大海发出蓝色的光芒，它还教会我们自然界的结构，它们如何应用复杂的数学，并教会我们在设计自己的新材料时可以应用的宝贵经验。
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