“折纸细胞”极端变形能力揭秘,能激发柔性材料工程及机器人设计潜力
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“天鹅泪”单细胞折纸般的褶皱使其能够实现极端变形。图片来源:斯坦福大学普拉卡什实验室

科技日报记者 张梦然

对于微生物世界的捕食者来说,要依靠极端变形能力,譬如将脖子伸展到体长的30多倍来释放致命的攻击。这个操作中,“折纸细胞”的几何形状是关键因素。最新发表在《科学》上的研究报告,揭示了名为“天鹅泪”的单细胞具有快速超伸展性的秘密。这一发现不仅解释了生物的极端变形机制,还将极大激发人们在柔性材料工程或机器人系统设计方面的创新潜力。

单细胞原生生物可以做出细胞结构的重大转变:仅40微米长的“天鹅泪”,就可在不到30秒的时间内,反复将它的“颈部”拉伸到1500微米然后又快速缩回,只为捕捉远处的猎物。科学家一直不能理解为何这种神奇的能力会来自一个没有神经系统的细胞。

现在,美国斯坦福大学研究团队发现,该行为是生物学中一种不为人知的几何机制。研究显示,这个单细胞生物的行为已被编码在其细胞骨架结构中,就像人类的行为被编码在神经回路中一样。

具体来说,这一行为其实是传统折纸的一个分支,被称为“曲线折纸”。它基于一种薄螺旋微管结构,这些微管形状如肋骨一样,包裹在一层透明膜中,形成了一系列“山峰和山谷”褶皱般的折痕图案。

为了在亚细胞水平上观察“天鹅泪”的独特机制,团队结合使用了实时成像、共聚焦和透射电子显微镜等技术。他们发现,细胞膜被折叠成15个褶皱,就像手风琴的风箱一样。这些褶皱又共同形成一个弯曲的折痕,能实现“颈部”快速和可重复的过度伸展。这种复杂的折叠方案还引导了膜折痕现象,确保其在极端变形期间快速有效地操作。

团队还开发了一个机械纸模型去模仿“天鹅泪”的弯曲折痕折纸结构,以更好地理解这难以置信的生物动力学。

总编辑圈点

许多自然界的生物具有不可思议的“超能力”。追本溯源,这些能力是在长达亿万年的自然选择中,经历物竞天择、适者生存的残酷考验,不断进化形成的,无怪乎如此厉害。正因如此,在向各种生物“拜师学习”的过程中,人类受益匪浅:鹦鹉螺启发了潜水艇的研制;水母为绿色荧光蛋白的应用激发灵感;如今,微生物的“折纸细胞”又为柔性机器人设计提供新思路……此类案例俯拾皆是,令人感叹,大自然真是一本深邃无比的“天书”!

来源:科技日报