機械外力促使浮游植物散發萬丈光芒

英國博物學家亨利·貝克(Henry Baker)在1753年發現了會散發磷光而「使海洋燃燒」的生物，例如圖1所示在台灣沿海散發的光芒，這項發現讓航海探險家深深著迷了幾個世紀。貝克的精湛顯微鏡技術讓他可以辨認出一種「發光的單細胞生物」──夜光藻(Noctiluca scintillans) ──在受到船首或船槳等擾動時會發冷光。與生活在海洋或是淡水環境中的夜光藻、鞭毛藻，以及其他細菌發光的生化過程相關的研究發展得非常迅速。但最後觸發生物體發光的機制是什麼？在1920年，美國動物學家E.牛頓·哈維(E. Newton Harvey)評論道：「這個問題必須仰賴物理學家出面解決。」

當鈣離子通過細胞壁上的通道進入細胞時，開啟了一系列的複雜化學反應過程，使發生物冷光的海洋生物產生光芒。生物學家推測，細胞外液體的流動會使細胞的外壁受到拉扯，進而打開了這些離子通道。然而，在使用不同的方法刺激細胞來引發生物發光的實驗中，產生了一道未解的謎題：這些擾動的方法──包含了流體和機械的擾動──到底是如何在細胞上產生外力的分布，從而導致細胞壁的拉扯？


Maziyar Jalaal、Raymond Goldstein和劍橋大學的同事們正著手解決這項難題。在一系列的實驗中，研究人員發現機械應力會造成紡錘梨甲藻 (Pyrocystis fusiformis，一種雙鞭毛藻) 具有黏彈性的細胞膜形變，進而誘發紡錘梨甲藻發光¹。將巨觀的流體與微觀的細胞機制聯繫起來可以增進對生態學和發冷光生物演化上的理解。



戳戳戳

數十年來，紡錘梨甲藻一直是發冷光生物研究的焦點。如圖2所示，這個大型生物(身長約130微米)具有堅硬的細胞壁，只有有限的運動性，密度大於海水密度，而且它的身體是透明的。紡錘梨甲藻的這些特性，讓研究人員可以輕鬆地操縱它的位置並觀察其體內的活動。1960年代在幾個研究小組的實驗中表明，在生物周圍攪動或是在生物周圍打入冒泡的水可以使其從細胞質的核心區域發出閃光²。這項實驗激發了大量的相關研究，去探討流體運動如何觸發生物體發出冷光。
 

圖2、會發出生物冷光的單細胞生物。單細胞海洋浮游植物紡錘梨甲藻(Pyrocystis lunula)是生物冷光研究的常見研究對象。當外部壓力擠壓細胞壁時，生物體的細胞質核心會發出冷光。(改編自參考文獻1) 
 

藉由改善後的實驗工具，研究人員可以觀察到流體的流動，使隨後的研究得以闡明流體運動觸發生物體發出冷光的過程。2000年代初期，在斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)，Michael Latz及他的同事測試了在使用不同種的外力下，要觸發紡錘梨甲藻發出冷光所需的強度。在其中一項實驗中，他們利用原子力顯微鏡(atomic force microscope)在細胞的單個點上連續戳刺，直到細胞發冷光³。而在另一項實驗中，他們將水從細胞旁邊注入，發現細胞發冷光的強度會與其受到的剪應力大小有關⁴。另外，在由Latz的研究小組操作的動物生理學實驗中，研究人員得知需要多大強度的壓力，才能觸發雙鞭毛藻的延展力活化蛋白(stretch-activated protein)傳遞訊號，使細胞發出生物冷光⁵。


但對於不同形式的刺激，細胞也會有不同的發冷光反應。這些差異可能是來自於接收外在刺激的受器在細胞上的未知分布，以及受器的活化訊號如何整合在整個細胞中的傳遞過程。


Jalaal和他的同事們利用定量實驗，幫助他們瞭解這些細胞發光刺激強度的差異。實驗中，他們藉由兩種方式來刺激紡錘梨甲藻的細胞閃出生物冷光。在第一個實驗裡，研究人員利用微量玻璃滴管(microscopic pipette)，將流體注射在細胞周圍，會沿著細胞表面產生一股剪應力(圖3a、3b)。藉由流體中的微小顆粒，研究人員可以觀察流體在細胞表面附近的流動，而得知其流動速度以及所產生的剪應力在細胞表面上的分布。利用高速攝影機記錄流體中微小顆粒的位置、細胞變形的幅度，以及生物冷光的發射。而實驗結果發現，只有在流體所施加的壓力大到足以讓細胞外膜變形時，細胞才會散發光芒。

 

 

在第二項實驗中，研究人員用兩個微量玻璃滴管的尖端固定並輕輕地擠壓細胞，而這個擠壓可以造成細胞局部的高度變形(圖3c、3d)。藉由顯微操作器，研究人員可以分別改變細胞變形的強度及速率。和前一個實驗相同，他們利用高速攝影機記錄細胞形變的幅度以及生物冷光的發射。


敏感的拉伸

在兩個實驗中，對細胞施加的壓力大小都是以一個固定的速率增加，直到細胞達到最大變形後，其施加的壓力保持不變。紡錘梨甲藻會快速地發出生物冷光，再漸漸黯淡下來。在不同的細胞變形速率(10~900微米/秒)以及變形幅度(1~10微米)下觀察其發光強度，發現細胞的發光強度不只和細胞的形變量有關，更會與其變形速率有關。在同一個紡錘梨甲藻細胞上重複前面所述的兩項實驗，研究人員發現單個細胞發光的最大強度會在之後的幾次擾動中逐漸減弱。


Jalaal及他的同事們根據這些發現寫下了一個數學模型，該模型將細胞所發出的光量化為對黏彈性的反應。該模型描述觸發細胞發光的訊號是和有黏彈性細胞壁的應變率有關，並以黏彈性細胞壁的回復時間為相關時間尺度。該觸發訊號與發光強度之間的關係，會受到兩個時間尺度影響：細胞發光的生化反應完成的時間，以及細胞休息後並準備再次發光的時間。觸發細胞發出生物冷光的訊號在最高峰時會達到飽和，也許就是在細胞膜上所有可用的離子通道都敞開的時候：該訊號或許可以用來代表鈣離子藉由打開的通道流入細胞的現象。這個數學模型，可以符合研究人員得到的觀察結果：細胞發出生物冷光強度的最高峰，會出現在細胞變形速率最快與變形幅度最大的時候。


與之前的實驗──利用流體流動或是機械外力等不同的擾動促使細胞發冷光──相結合，新的實驗結果說明了細胞在遭受到散布在大面積下的小外力與遭受到集中在小面積的大外力時，會發出相同強度的光芒。也就是說，生物冷光的散發可能是由於微弱地打開了細胞膜上的多個離子通道，或是強力拉開少數幾個離子通道所造成的。Jalaal指出，未來還需要進行進一步的研究，以更現實的環境流體流動為實驗條件，來確定「作用在細胞上的外力分布以及流體與細胞膜相互作用的細節」。


生物冷光現象為生物體與周圍其他生物交流的其中一種方式，舉例來說，可以用來嚇唬、驅趕掠食者。進一步了解其生化及物理上的觸發，讓我們有機會探索跨尺度及跨物種在生態學上的所扮演的重要角色。


作者：Rachel Berkowitz
譯者：宋育徵
參考文獻：
1. M. Jalaal et al., Phys. Rev. Lett. 125, 028102 (2020).
2. W. H. Biggley et al., J. Gen. Physiol. 54, 96 (1969).
3. B. Tesson, M. I. Latz, Biophys. J. 108, 1341 (2015).
4. P. von Dassow, R. N. Bearon, M. I. Latz, Limnol. Oceanogr. 50, 607 (2005).
5. K. Jin et al., J. Phycol. 49, 733 (2013).


本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 2020 雜誌內 (Physics Today 73, 9, 20 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4564)。原文作者：Rachel Berkowitz。中文編譯：宋育徴，國立中央大學物理系助理。


Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Rachel Berkowitz., and are published on (Physics Today 73, 9, 20 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4564). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.