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科技日報北京6月10日電 （記者張夢(mèng)然）對于微生物世界的捕食者來(lái)說(shuō)，要依靠極端變形能力，譬如將脖子伸展到體長(cháng)的30多倍來(lái)釋放致命的攻擊。這個(gè)操作中，“折紙細胞”的幾何形狀是關(guān)鍵因素。最新發(fā)表在《科學(xué)》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(fā)現不僅解釋了生物的極端變形機制，還將極大激發(fā)人們在柔性材料工程或機器人系統設計方面的創(chuàng )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(cháng)的“天鵝淚”，就可在不到30秒的時(shí)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?？茖W(xué)家一直不能理解為何這種神奇的能力會(huì )來(lái)自一個(gè)沒(méi)有神經(jīng)系統的細胞。
現在，美國斯坦福大學(xué)研究團隊發(fā)現，該行為是生物學(xué)中一種不為人知的幾何機制。研究顯示，這個(gè)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(lèi)的行為被編碼在神經(jīng)回路中一樣。
具體來(lái)說(shuō)，這一行為其實(shí)是傳統折紙的一個(gè)分支，被稱(chēng)為“曲線(xiàn)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(guān)察“天鵝淚”的獨特機制，團隊結合使用了實(shí)時(shí)成像、共聚焦和透射電子顯微鏡等技術(shù)。他們發(fā)現，細胞膜被折疊成15個(gè)褶皺，就像手風(fēng)琴的風(fēng)箱一樣。這些褶皺又共同形成一個(gè)彎曲的折痕，能實(shí)現“頸部”快速和可重復的過(guò)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(kāi)發(fā)了一個(gè)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(dòng)力學(xué)。
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(cháng)達億萬(wàn)年的自然選擇中，經(jīng)歷物競天擇、適者生存的殘酷考驗，不斷進(jìn)化形成的，無(wú)怪乎如此厲害。正因如此，在向各種生物“拜師學(xué)習”的過(guò)程中，人類(lèi)受益匪淺：鸚鵡螺啟發(fā)了潛水艇的研制；水母為綠色熒光蛋白的應用激發(fā)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(lèi)案例俯拾皆是，令人感嘆，大自然真是一本深邃無(wú)比的“天書(shū)”！
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