北极冰层下的微小滑行者改写了生命极限

但斯坦福大学9月9日发表在《美国国家科学院院刊》的新研究揭示，北极硅藻并非静止不动或被冰封囚禁。它们不仅存活——更以滑行姿态刷新着生物学纪录。

"这不是1980年代电影里的低温生物学。硅藻在温度降至-15°C前都保持着超乎想象的活跃度，这太令人震惊了，"生物工程学副教授、论文通讯作者马努·普拉卡什说道。他同时任职于工程学院和医学院。

这个温度（5华氏度）是迄今记录的真核细胞运动最低温——真核细胞是存在于植物、动物、真菌等生物中的复杂细胞类型，其特征是细胞核外包裹着核膜。

"你能亲眼看到硅藻在冰面上滑行，就像花样滑冰一样，"论文第一作者、斯坦福博士后张青说。她在北极科考中采集了这些样本。研究团队不仅证实了硅藻在极低温下的运动能力，更发现它们的滑行依赖于黏液与分子马达的协同作用。

穿梭繁忙的"冰堡"

本研究中的硅藻样本来自楚科奇海为期45天的北极考察，科考船"Sikuliaq"由美国国家科学基金会所有、阿拉斯加费尔班克斯大学运营。2023年夏季，普拉卡什实验室与斯坦福可持续发展学院地球系统科学教授凯文·阿里戈实验室的研究人员，从12个观测站采集了冰芯。借助普拉卡什实验室多年研发的船载显微镜组，团队成功拍摄到冰层内部图像，记录了这些北极硅藻的隐秘生活。

回到实验室后，团队从冰芯中提取硅藻，在培养皿中重构了它们的生存环境：上层是薄层淡水冰，下层是极低温盐水。当北极冰层形成时，盐分被排出形成微型流体通道——研究人员甚至用头发在实验冰层中复刻了这种通道结构。

即便在零下显微镜中将温度降至冰点以下，硅藻仍能穿梭于发丝粗细的通道中。通过植入荧光微珠的凝胶实验，研究人员像追踪沙地足迹般记录了它们的运动轨迹。

研究团队开发并使用了特殊显微镜和实验环境来追踪硅藻在冰层中的运动方式。| 普拉卡什实验室

令人惊讶的是，硅藻既不需要扭动收缩，也不依靠任何附属肢体，而是展现出多数硅藻的独门绝技：滑行运动。

"它们会分泌一种类似蜗牛黏液的聚合物，像带锚的绳索般附着在表面，"张青解释道，"然后通过牵拉这条'分子绳索'获得前进动力。"

这种黏液绳索机制依赖于肌动蛋白和肌球蛋白——与驱动人类肌肉运动的生物系统相同。该机械系统在零下环境仍能运转的奥秘，成为实验室当前的核心研究课题。当团队对比北极硅藻与温带近亲在玻璃表面的滑行速度时，极地物种展现出明显优势，暗示着进化赋予的生存策略。

宏观图景

普拉卡什实验室在北极科考期间还开展了多项研究，包括通过冰下无人机拍摄的影像资料，生动展现了这项工作的潜在价值。

"北极表面雪白，冰层之下却因藻类繁衍呈现浓郁的青绿色，"普拉卡什描述道，"这让你意识到它们绝非微不足道，而是食物链的关键环节，掌控着冰下世界的生态命脉。"

硅藻样本采集自科考船Sikuliaq的考察期间。研究人员在造访12个观测站途中，还邂逅了数只北极熊。| 莱克西·阿伦，斯坦福大学

硅藻活跃性的发现引发了对极地环境适应的深层思考：它们是否通过运动促进资源在北极食物网中的流动，滋养从鱼类到北极熊的整个生态系统？其黏液轨迹是否会像珍珠围绕沙粒形成那样，成为新冰晶的凝结核？

普拉卡什坦言，通常他不会过早透露这些萌芽期的猜想，但此次情况特殊。

"许多同行预测未来25到30年内北极可能消失。当生态系统消亡，我们将失去生命之树整个分支的知识，"他忧心忡忡地指出，美国国家科学基金会预计大幅削减的预算将使极地研究经费减少70%，"这些系统的研究具有紧迫性，因为归根结底，科研基础设施和行动能力是发现真理的关键基石。"

更多信息

普拉卡什还担任斯坦福伍兹环境研究所高级研究员，兼任生物学和海洋学副教授，是斯坦福Bio-X、吴蔡人类表现联盟、母婴健康研究所和吴蔡神经科学研究所成员。其他作者包括研究生霍普·T·冷、2023届博士李洪泉和凯文·阿里戈。阿里戈是唐纳德·M·斯蒂尔地球科学讲席教授，斯坦福伍兹环境研究所高级研究员，Bio-X成员。

本研究获得美国国家科学基金会、斯坦福研究生教育副院长探索奖学金、人类前沿科学计划、摩尔基金会、施密特基金会和达利奥基金会资助。部分工作于斯坦福大学细胞科学成像中心完成。