最新研究解释了单细胞海洋生物，是如何产生光作为对机械刺激的反应，在夜间照亮海浪。每隔几年，一大批被称为甲藻的微生物，就会赋予海浪一种诡异的蓝色光芒，从而改变世界各地的海岸。例如南加州壮观的水华就是一个特别引人注目的例子。在《物理评论快报》期刊上发表的一项新研究中，研究人员确定了导致其中一种生物产生光的潜在物理原因。
由剑桥大学领导的国际研究团队，开发了基于微操作和高速成像的独特实验工具，以在单细胞水平上可视化光产生，他们展示了新月焦囊藻(Pyrocystis Lunula)的单细胞有机体，在其细胞壁被机械力变形时是如何产生闪光的。通过系统的实验发现：闪光的亮度既取决于变形深度，也取决于施加的速率。这种行为被称为“粘弹性”响应，在许多复杂材料中都有发现，比如含有悬浮聚合物的流体。
对于像新月焦囊藻这样的生物来说，这种机制很可能与离子通道有关，离子通道是分布在细胞膜上的一种特殊蛋白质。当细胞膜受到压力时，这些通道打开，允许钙在细胞的隔间之间移动，触发产生光的生化级联。领导这项研究的应用数学与理论物理系斯伦贝谢复杂物理系统教授雷蒙德·E·戈尔茨坦说：尽管已经进行了数十年的科学研究，主要是在生物化学领域，但流体流动引发光产生的物理机制仍然不清楚。
其研究发现揭示了流体触发光线产生的物理机制，并表明在单细胞水平上可以做出多么优雅的决策。几千年来，生物发光一直是人类感兴趣的，因为它可以看到海洋中夜间海浪的光芒或森林中的萤火虫。从亚里士多德到莎士比亚，许多作家和哲学家都写过关于生物发光的文章，莎士比亚在“哈姆雷特”中写到了萤火虫的“无效之火”；指的是没有热量的光的产生。
然而，海洋中的生物发光并非“无效”。相反，它用于防御、进攻和交配。在甲藻的情况下，它们使用轻量生产来吓跑捕食者。目前的研究结果表明，当细胞壁变形较小时，无论压入得多快，光强都很小；当压痕较大但施加缓慢时，光强也很小。只有当振幅和速率都较大时，灯光强度才会最大化。研究开发了一个数学模型，能够定量地解释这些观察结果，这种行为可以作为过滤器，以避免触发虚假的闪光。
与此同时，研究人员计划更定量地分析流体流动中整个细胞上的力分布，这是在海洋环境下理解光预测的一步。研究小组的其他成员包括博士后研究员Hélène de Maleprade、德国哥廷根Max-Planck动力学与自组织研究所的Nico Schramma和法国巴黎理工学院的Antoine Dode，以及法国尼斯物理研究所的教授Christophe Raufast。
博科园｜研究/来自：剑桥大学
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.028102
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