斯坦福大学开发的一款新型显微镜首次提供了追踪和测量海洋浮游生物行为与分子过程的方法。
旋转显微镜获得的研究成果可能揭示海洋中微观生命的奥秘，及其对碳固定等关键行星过程的影响。
浮游生物在海洋中将碳转化为有机化合物的过程中发挥着至关重要的作用。
如同灵魂穿梭于两个世界之间，数十亿不可见的生命在星光中升起，又在日出时沉入黑暗。微小浮游生物在海洋深处与海面之间的每日迁移，是理解关键行星过程的关键，但直到现在，这一过程在很大程度上仍是未解之谜。斯坦福大学开发的一款新型旋转显微镜在研究中进行了概述，该研究于8月17日发表在Nature Methods上，首次提供了一种方法，可在这些神秘微生物进行每日垂直迁移时，追踪和测量其行为与分子过程。
“这是研究海洋生命的全新方式，”该研究第一作者、斯坦福大学机械工程博士生Deepak Krishnamurthy表示。
该研究资深作者Manu Prakash（斯坦福大学生物工程副教授）表示，这项创新可能为深入了解海洋生物及生态系统的隐秘生活打开一扇新窗口。“它开启了我们此前只能梦想的科学可能性。”
海洋之谜
在地球上，一半的碳向有机化合物的转化发生在海洋中，其中大部分工作由浮游生物完成。这些微小生物在被称为碳固定的过程及其他重要行星循环中发挥着不成比例的作用，但在海洋这一垂直分层、涉及巨大深度和时间尺度的环境中，相关研究一直十分困难。
传统的浮游生物采样方法侧重于大量微生物种群，通常缺乏足够的分辨率来测量生态尺度上单个浮游生物的行为与过程。因此，我们对海洋中微尺度的生物及分子过程了解甚少，例如浮游生物如何感知并调节其深度，或者它们在缺乏辅助运动附肢的情况下如何能悬浮于水柱之中。
“我可以给鲸鱼装上追踪标签，看它去了哪里，但随着研究对象越来越小，要了解和理解它们的自然行为就变得极其困难，”Prakash说。“我们如何更接近微观物体的自然行为，并给予它应有的自由，因为海洋空间如此广阔，且具有极强的垂直取向？”
为弥合这一差距，Prakash及其实验室的研究人员开发了一款垂直追踪显微镜，其原理基于他们所称的“水动力跑步机”。 该设计基于一个简单而精妙的见解：圆形几何结构可形成无限水柱环，用于模拟海洋深度。将生物体注入这一充满液体的圆形腔室后，它们可自由移动，而设备则在追踪它们的同时旋转以适应其运动。摄像头将浮游生物及其他微型海洋生物的全分辨率彩色图像传送至计算机，用于闭环反馈控制。该设备还能重现海洋中的深度特征，例如光照强度，从而为单个细胞营造研究人员所称的“虚拟现实环境”。
研究团队已将该仪器部署到斯坦福大学位于蒙特雷的霍普金斯海洋站、波多黎各以及夏威夷附近海域的一艘科考船上进行现场测试。这一创新显微镜已揭示了此前科学界未知的多种微生物行为。例如，它以极为细致的方式展示了加利福尼亚海岸的海洋生物幼虫（如海星、海参和太平洋沙钱币）如何采用多种方式在海中移动，包括稳定悬停、频繁改变纤毛摆动与游动模式，或闪烁式运动。这可能使科学家更好地理解这些独特生物在广阔外海中的扩散特性。该设备还揭示了单细胞生物（如海洋甲藻）的垂直游动行为，这可能使科学家能够将这些行为与藻华等生态现象联系起来。
在波多黎各，Krishnamurthy和Prakash惊讶地观察到一种硅藻（一种没有游动附肢的微生物）反复改变自身密度，在水中下沉和上浮，这一令人费解的行为至今仍是未解之谜。
“这就好像有人告诉你，一块石头可以漂浮，然后下沉，再然后又漂浮起来，”Krishnamurthy说。
将海洋带入实验室
Prakash将该设备的成功归功于其实验室团队的跨学科性质，团队成员包括电气、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。团队正致力于进一步扩展该显微镜的功能，通过虚拟绘制生物体在深入海洋时所经历的各类物理参数，包括环境与化学信号以及静水压力。
“要真正理解海洋中最小尺度上的生物过程，我们很高兴既能将一部分海洋带入实验室，同时也能将一小部分实验室带到海洋中，”Prakash表示。
