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【科學講堂】單細胞生物 用收縮溝通

2019-10-16
■這種旋口蟲的學名是Spirostomum ambiguum,是一種單細胞的原生生物。 網上圖片■這種旋口蟲的學名是Spirostomum ambiguum,是一種單細胞的原生生物。 網上圖片

之前跟各位討論鳥類發聲器官演化的時候,指出了研究這個器官,其重要性並不只局限於這一個器官的生物構造之上:能夠了解雀鳥如何唱歌發聲,也可以讓我們一窺牠們之間如何互相溝通,從而研究牠們在族群中的行為。誠然,假如我們只關心生物的生理構造而忽略了牠們的行為,就好像只留意足球員的個人技巧而忘記了整體隊伍的戰術和分工,這樣的話實在是太可惜了。今天就跟大家分享一下一種能夠快速互相溝通的單細胞生物。

旋口蟲高速收縮 承受引力比人強

雀鳥、人類這些較複雜的生物,可以利用歌聲和語言來溝通;這些較複雜生物之中的各個器官甚至細胞,其實也可以運用生物之中的神經系統來互相傳遞消息。那麼只有一個細胞、沒有語言的單細胞生物,又是如何相互溝通的呢?不同的生物自然有不同的溝通方法,不過這一次就將我們的眼光放到一種旋口蟲身上。

這種旋口蟲的學名是Spirostomum ambiguum,是一種單細胞的原生生物。牠們每一個個體雖然只有一個細胞,但卻可以長達1.3毫米,很容易就成為了單細胞生物之中的巨人。這種旋口蟲大多生活於淡水和海水之間的水域,最有趣的是牠們能夠在比眨眼還快百倍的短時間之內,將自己的身體收縮至本來的百分之四十。這種特別的能耐,自然吸引了一些科學家的好奇心。

那炯o種旋口蟲收縮的速度究竟有多高?史丹福大學的生物工程學家Arnold Mathijssen和他的研究夥伴,利用了可以每秒拍攝1萬個影像的高速攝影技術,攝下了數千條旋口蟲收縮的情況。他們發現,這些旋口蟲每次收縮只需千分之五秒,而且收縮時牠們承受的加速度,竟高達地球地面引力的14倍。

14倍的引力有多厲害?紅牛特技飛行世界錦標賽是一個世界性的比賽,參賽者比拚以最快的速度飛過各種的障礙物。其中的大師級賽組,禁止參賽者超過地球引力的12倍,因為在這個情況下,參賽者有可能會失去知覺。由這個角度來看,這些旋口蟲承受引力的能力比我們高很多呢。收縮之後,牠們回復原狀相對較慢,大概需要1秒。不過這樣的收縮動作,這些旋口蟲其後可以不停地重複。

水流造成拉力 誘發連鎖反應

這些高速的收縮動作,究竟是怎樣開始的呢?生物學家一直在懷疑,這些收縮是旋口蟲對在身旁移動的捕獵者的反應。Mathijssen的團隊將旋口蟲的細胞放進不同速度的水流中,找出多快的水流才會驅使這些細胞收縮。他們其後再查看這些水流會在生物薄膜中造成多少的拉力,發現兩者有一定的關係。由此看來,旋口蟲身旁的水流會在牠們身上的薄膜中造成拉力,從而驅使旋口蟲收縮。

這種收縮的動作,也成為了旋口蟲的一種互相溝通的方法:一條旋口蟲的收縮,其實會造成水流;這些水流,繼而會誘發附近的旋口蟲也一起收縮。由此引起的連鎖反應,令得大群的旋口蟲在短時間內一起收縮。Mathijssen的團隊在實驗室內的研究,發現這種收縮動作在旋口蟲群中傳播的速度,可以高達每秒四分之一米。對這些身型細小的動物來說,這樣的速度應該是很不錯了。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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