就像灵魂在世界之间穿梭，数十亿看不见的生命升起来迎接星光，然后在日出时坠入黑暗。微小的浮游生物每天在海洋深处和表面之间的旅行是理解关键行星过程的关键，但直到现在在很大程度上仍然是个谜。8月17日发表在《自然方法》(Nature Methods)上的一项研究概述了斯坦福开发的一种新型旋转显微镜，它首次提供了一种追踪和测量这些神秘微生物日常垂直迁移时的行为和分子过程的方法。
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“这是研究海洋生物的一种全新方式，”该研究的第一作者、斯坦福大学机械工程博士生Deepak Krishnamurthy说。
斯坦福大学生物工程副教授、该研究的资深作者Manu Prakash说，这项创新可能为了解海洋生物和生态系统的秘密生命提供了一扇新的窗口。“它开启了我们直到现在还只是梦想的科学可能性。”
海洋的秘密
在地球上，碳转化为有机化合物的过程中，有一半发生在海洋中，其中大部分是由浮游生物完成的。微小生物在这一过程中所扮演的巨大角色被称为碳固定，以及其他重要的行星循环，一直以来都很难在海洋的垂直分层景观中进行研究，这涉及到巨大的深度和时间尺度。
斯坦福大学的研究人员Manu Prakash和Deepak Krishnamurthy使用他们发明的旋转显微镜第一次观察了单细胞硅藻，一种浮游生物，当它改变密度在水中移动的时候。(图片来源:李洪泉)
传统的浮游生物取样方法侧重于微生物的大种群，通常缺乏在生态尺度上测量单个浮游生物的行为和过程的分辨率。因此，我们对海洋中的微观生物和分子过程知之甚少，比如浮游生物如何感知和调节它们的深度，甚至是它们如何在没有辅助移动的附属物的情况下保持悬浮在水体中。
普拉卡什说:“我可以在鲸鱼身上贴上标签，看看它会去哪里，但随着东西越来越小，要了解和理解它们的本土行为就变得极其困难。”“我们如何接近微观物体的自然行为，并给予它应有的自由，因为海洋是如此大的空间和极垂直的方向?”
为了弥补这一差距，普拉卡什和他实验室的研究人员开发了一种基于他们所谓的“水动力跑步机”的垂直跟踪显微镜。”这个想法包含了一个简单而优雅的见解:一个圆形的几何形状提供了一个无限的水柱环，可以用来模拟海洋深度。注射进这个充满液体的圆形腔体的生物可以自由地移动，同时装置会跟踪它们并旋转以适应它们的运动。一台摄像机将浮游生物和其他微小海洋生物的全分辨率彩色图像输入计算机，进行闭环反馈控制。该设备还可以重现海洋的深度特征，比如光线强度，为单细胞创造研究人员所说的“虚拟现实环境”。
该团队已经在位于波多黎各蒙特雷的斯坦福霍普金斯海洋站和夏威夷海岸的一艘研究船上部署了该仪器进行现场测试。这台创新的显微镜已经揭示了各种微生物s’的行为，而这些行为在科学界之前是未知的。例如,它暴露在细枝末节的幼虫从加州海岸的海洋生物,如蝙蝠海星、海参和太平洋海胆使用各种方法来穿过大海,从稳定的悬停到纤毛击败频繁变化和游泳运动或眨眼。这可以让科学家更好地了解这些独特生物在公海上的传播特性。该装置还揭示了单细胞生物(如海洋鞭毛藻)的垂直游动行为，这可以让科学家将这些行为与诸如藻华等生态现象联系起来。
在波多黎各，Krishnamurthy和Prakash震惊地观察到硅藻，一种没有游动附属物的微生物，在水中不断地改变自己的密度，使其在水中下降或上升——这一令人费解的行为至今仍是个谜。
“这就好像有人告诉你一块石头可以漂浮，然后下沉，然后再浮起来，”克里希那穆蒂说。
把海洋带到实验室
斯坦福大学的研究人员Adam Larson、Delphine Mion、Deepak Krishnamurthy、Hongquan Li和Manu Prakash站在他们为研究海洋微生物而研制的旋转显微镜旁。(图片来源:普拉卡什实验室劳蕾尔·克鲁)
普拉卡将该装置的成功归功于他实验室团队的跨学科性质，该团队包括电气、机械和光学工程师，以及计算机科学家、物理学家、细胞生物学家、生态学家和生物化学家。研究小组正在进一步扩展显微镜的功能，通过虚拟绘制生物体在潜入海洋深处时所经历的所有物理参数，包括环境和化学线索以及静水压力。
普拉卡什说:“为了在最小的长度尺度上真正了解海洋中起作用的生物过程，我们很高兴既能把海洋的一部分带到实验室，同时也能把实验室的一部分带到海洋中。”
有关该项目的更多细节，请访问www.gravitymachine.org。
普拉卡什也是斯坦福伍兹环境研究所的高级研究员;Bio-X的成员之一。儿童健康研究所和芜湖神经科学研究所;霍华德·休斯医学研究所研究员;以及陈-扎克伯格生物中心的调查员。
该研究的合著者包括电气工程专业的研究生李洪泉;Francois Benoit du Rey和Pierre Cambournac，他们是法国理工学院普拉卡什实验室的前暑期实习生;伊森·李(Ethan Li)是生物工程专业的研究生，亚当·拉森(Adam Larson)是生物工程博士后研究员。
这里描述的部分技术是美国悬而未决的一项协议的一部分。年代专利。
资金由Bio-X Bowes和SIGF奖学金，国家科学基金会，戈登和贝蒂摩尔基金会，HHMI学院研究员计划提供。
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新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/08/17/new-way-study-ocean-life/