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它們競速、跳躍、旋轉(zhuǎn)、射擊。來認(rèn)識一下這些生物吧，對它們而言，非凡的體能不僅僅是為了競技——而是關(guān)乎生死存亡的大事。

若按體型比例來看，微生物比任何人類運(yùn)動員都更快、更頑強(qiáng)。圖片來源：MAKI NARO

在冬季運(yùn)動中，雪橇運(yùn)動員的滑行時速超過90英里（約145公里），冰球運(yùn)動員擊出的冰球時速可達(dá)100英里（約161公里），花樣滑冰選手的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每分鐘342圈——都可謂風(fēng)馳電掣。

然而與微生物世界的極速狂魔相比，人類的這些壯舉似乎并沒有那么驚艷。在那永不停息的生存競賽中，微小的捕食者與它們的獵物在追逐中迸發(fā)出驚人的速度。饑餓的微生物能夠?yàn)榱耸澄锿瓿审@人的飛躍，還有些能夠拋射出他們身體的一部分，還有些或能膨脹或能收縮——它們進(jìn)行這些行為時所受到的力甚至遠(yuǎn)超宇航員發(fā)射升空時承受的壓力。在這些競速健將面前，即便是滑雪名將林賽·沃恩（Lindsey Vonn）也顯得黯然失色。

盡管微生物身體微小，周圍環(huán)境會對它們產(chǎn)生強(qiáng)大的阻力——微生物在水中游動，就好比滑雪者試圖穿越和脖子齊深的蜂蜜賽道——但它們依然完成了這些驚人的運(yùn)動壯舉。在無休止的進(jìn)化競賽中，它們面臨著生死攸關(guān)的較量?！拔⒂^世界并不是一個十分友善的地方，”2025 年《微生物學(xué)年度評論》（Annual Review of Microbiology）中一篇關(guān)于超高速微生物論文的合著者，斯坦福大學(xué)生物工程與海洋學(xué)家馬努·普拉卡什（Manu Prakash）指出，“你不是在逃跑，就是在追獵?！?/p>

接下來，就讓我們來認(rèn)識一下微生物世界中那些值得被授予獎牌的極速健將。

最快的細(xì)菌

單純就速度而言，目前的冠軍是一種卵形細(xì)菌，被命名為“促動卵桿菌”（Candidatus Ovobacter propellens，這是一個非正式名稱，因?yàn)榭茖W(xué)家們尚未對其完成完整的描述，也未能成功在試管中將其進(jìn)行分離培養(yǎng)）。這種細(xì)菌是在丹麥海岸外半米深的沙層中被發(fā)現(xiàn)的，它依靠約 400 根像尾巴一樣的鞭毛進(jìn)行游動，速度最高可達(dá)每秒1毫米。

不過，如果非要讓所有微生物在同一個賽場上一決高下，那就太不公平了。畢竟它們體型差異巨大——有些極為龐大，有些極其微小——這意味著它們在運(yùn)動時受到的環(huán)境阻力也截然不同。因此，在這篇綜述中，作者們采用了“每秒移動的身長數(shù)”來作為速度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

促動卵桿菌的直徑約4到5微米，在細(xì)菌界算是個大塊頭，其最高速度相當(dāng)于每秒移動約 200個身長，速度驚人！然而很可惜，按照身長的速度標(biāo)準(zhǔn)，它被海洋趨磁球菌（Magnetococcus marinus）擠下了冠軍領(lǐng)獎臺。這個直徑僅有一兩微米的球形小家伙，游動速度竟高達(dá)每秒 500個身長！相比之下，不妨看看被譽(yù)為冬奧會最快項(xiàng)目的無舵雪橇，運(yùn)動員疾馳的速度也不過是每秒25個身長左右。

圖中展示了微生物促動卵桿菌的橫切面（上圖）和側(cè)視圖（下圖）?？梢娖溟L有一束由約400根鞭毛組成的“尾巴”，它正是借此來實(shí)現(xiàn)高速游動。（此外，它還擁有一些用途尚不明確的獨(dú)特膜結(jié)構(gòu)，包括堆疊膜（sm）和膜帶（mb）。）圖片來源：T. FENCHEL & R. THAR / FEMS MICROBIOLOGY ECOLOGY 2004

科學(xué)家們用來測速的那株海洋趨磁球菌樣本分離自美國羅德島州的河口水域。拉脫維亞大學(xué)的跨學(xué)科科學(xué)家達(dá)米安·費(fèi)夫爾（Damien Faivre）回憶道，當(dāng)研究人員首次啟用新型三維顯微鏡來觀察這位極速健將時，它翻滾的速度實(shí)在太快了，以至于人們依然難以看清它的運(yùn)動軌跡。

換用另一臺顯微鏡后，費(fèi)夫爾及其同事觀察到海洋趨磁球菌以螺旋軌跡游動，猶如花樣滑冰運(yùn)動員在進(jìn)行高難度的多周阿克塞爾旋轉(zhuǎn)跳。它依靠兩束旋轉(zhuǎn)的鞭毛實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，每束包含七根鞭毛，分別位于身體的前后兩端。費(fèi)夫爾表示，準(zhǔn)確追蹤到這種螺旋式的運(yùn)動軌跡，是認(rèn)定海洋趨磁球菌創(chuàng)下紀(jì)錄的關(guān)鍵所在：當(dāng)科學(xué)家們根據(jù)它實(shí)際游動的總路程來計算速度時，結(jié)果令人震驚——“它實(shí)際游過的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)期?！?/p>

該微生物之所以被命名為趨磁球菌（Magnetococcus），是因?yàn)樗w內(nèi)擁有一串磁鐵礦晶體。這串晶體就像一個微型羅盤，能幫助它導(dǎo)航，找到它最偏愛的低氧環(huán)境。有朝一日，它或許能承擔(dān)起向腫瘤內(nèi)部（往往是低氧區(qū)）輸送藥物的重任。在一項(xiàng)研究中，科學(xué)家將數(shù)十個裝滿藥物的膜狀藥囊附著在這些細(xì)菌表面，然后將其注射到小鼠體內(nèi)，并利用磁鐵引導(dǎo)它們抵達(dá)腫瘤附近。一旦到達(dá)預(yù)定區(qū)域，憑借其與生俱來的低氧趨向性，超過半數(shù)的細(xì)菌成功滲入到了腫瘤內(nèi)部。

最快的古菌

古菌（Archaea）是微生物界的另一大“豪門”。它們與細(xì)菌有著天壤之別。其差異之大，絲毫不亞于人類與細(xì)菌的區(qū)別。過去，人們曾一度認(rèn)為古菌在游泳方面是個“慢性子”。

然而，科學(xué)家在2012年的一項(xiàng)分析中徹底推翻了這一認(rèn)知。古菌界的“速度之王”是絨毛甲烷球菌（Methanocaldococcus villosus），它的實(shí)力足以與前文提到的海洋趨磁球菌一較高下。這種略顯圓潤的微生物直徑僅1到2微米，酷愛高溫環(huán)境，而且還能釋放甲烷。經(jīng)測定，其最高速度達(dá)到了驚人的每秒468個身長。

絨毛甲烷球菌發(fā)現(xiàn)于冰島北部的一處海底熱液噴口。它的身上擁有50多根鞭毛，它不僅能夠利用這些鞭毛游泳，還能借此附著在被稱為“黑煙囪”的熱液噴口巖壁上，有時甚至還會用它們與其他同類“手拉手”連接在一起。

不要小看海洋趨磁球菌和絨毛甲烷球菌它們的速度，以它們這種程度的速度運(yùn)動會產(chǎn)生大量熱量。試想一下，2022年北京冬奧會速度滑冰的金牌得主艾琳·杰克遜（Erin Jackson），她在500米比賽中的奪冠成績是37.04秒。如果這位身高1米65的運(yùn)動員能以“每秒500個身長”的速度沖刺，她只需約0.6秒就能沖過終點(diǎn)線。“但如果人類運(yùn)動員真的做到這一點(diǎn)，身體恐怕會直接爆炸，”普拉卡什表示。微生物之所以能夠飆出這種極速而安然無恙，全靠它們足夠的小。與大型生物相比，微生物擁有極大的表面積與體積比（相對表面積大），這使得它們能通過外膜迅速將熱量散發(fā)出去。

極速收縮高手

像伊利亞·馬里寧（Ilia Malinin）這樣的花樣滑冰選手在旋轉(zhuǎn)時會通過收攏手臂來加快轉(zhuǎn)速，但原生動物大旋口蟲（Spirostomum ambiguum）的“收身”動作要比人類極端得多。它能在短短5毫秒內(nèi)，將其原本像蠕蟲一樣、1到4毫米長的身體瞬間“壓縮”到不足原來的一半。

不過，生活在微咸水域中的旋口蟲做出這樣的行為并不是為了表演跳躍或旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它進(jìn)行收縮時，會從體內(nèi)擠出毒素，以此來抵御捕食者。普拉卡什的團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，這種超高速的“縮骨功”還會產(chǎn)生一個液體漩渦，向周圍的同伴發(fā)出警報，告訴它們“出事了”。隨著周圍的同伴相繼做出收縮反應(yīng)，這股波動還會被逐級放大，其傳播速度比它們自身的游動速度要快上數(shù)百倍。這就像是一支配合默契的冰球隊(duì)，這支微生物戰(zhàn)隊(duì)也借此實(shí)現(xiàn)了毒素噴射的同步化。

在旋口蟲收縮的瞬間，它承受的加速度高達(dá)15個g（重力加速度），這大約相當(dāng)于噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)飛行員彈射逃生時所受重力負(fù)荷的下限。這種程度的力量理應(yīng)摧毀細(xì)胞內(nèi)部的一切；如果馬里寧把自己的身體壓縮成一半大小，可以肯定地說，他這輩子都別想再跳出阿克塞爾跳了。那么旋口蟲是如何幸存的呢？普拉卡什的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，旋口蟲受到其內(nèi)部一種網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)的保護(hù)，這套系統(tǒng)起到了絕佳的減震器作用。

大旋口蟲（Spirostomum ambiguum）的體長可達(dá)4毫米，卻能在短短5毫秒內(nèi)將自己收縮到不足原來長度的一半。圖片來源: TIERBILD OKAPIA / SCIENCE SOURCE

極致膨脹大師

如果說旋口蟲擅長極致的收縮，那么夜光梨甲藻（Pyrocystis noctiluca）則恰恰相反：這種會在黑暗中發(fā)光的海洋浮游生物能在不到 10 分鐘的時間里，像吹氣球一樣將身體膨脹到初始大小的六倍。

夜光梨甲藻過著一種“上躥下跳”的生活，每周都要在海水中完成一次垂直落差超過50米的往返旅程。普拉卡什在夏威夷海域收集的微生物樣本中觀察到了這種微生物的快速膨脹現(xiàn)象，并將其稱為“世界上最優(yōu)秀的馬拉松運(yùn)動員”。

在其活動范圍頂層，距海面約60米處，夜光藻的直徑約為200到700微米，它們在這里利用光合作用從陽光中獲取能量。但是，為了獲取深層海水中更豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，它們必須下潛。于是，它們會利用重力沉降到約150米的深處，并在那里完成細(xì)胞周期，分裂成兩個新的細(xì)胞。然而，這個過程也存在風(fēng)險，如果這些新生的細(xì)胞掉得太深，就無法克服重力和水壓重返上層了。為了自救，它們會進(jìn)行普拉卡什團(tuán)隊(duì)所描述的一種“彈弓式”機(jī)動。也就是通過快速吸入水分，大幅降低自身密度，從而像浮標(biāo)一樣借助浮力直沖海面。

超級射手

我們要介紹的最后一位極速健將是一種寄生蟲。它能夠以超過每秒 300 微米的速度射出一根“魚叉” 穿透宿主細(xì)胞。這位神射手名為安卡利亞·阿爾及爾（Anncaliia algerae，下文簡稱A. algerae） ，屬于微孢子蟲（microsporidium）家族。這個龐大的家族擁有超過1700個物種，廣泛感染各類動物，甚至?xí)廴舅春褪澄?。其中有十幾種（包括 A. algerae）具備感染人類的能力，不過具體的感染頻率目前尚不清楚。對人類而言，感染癥狀可能很輕微甚至無癥狀，也可能引發(fā)腹瀉等多種不適；而對于免疫系統(tǒng)較弱的人群來說，這種感染可能是致命的。

通常情況下，A. algerae會以休眠孢子的形式隨波逐流。這個卵形孢子長約4微米，體內(nèi)緊緊盤繞著那根長達(dá)100微米的被稱為 “極管”（polar tube）的“魚叉”。一旦孢子落入適宜的環(huán)境（例如人類的小腸），它就會果斷"開火"。約翰斯·霍普金斯大學(xué)的結(jié)構(gòu)細(xì)胞生物學(xué)家吉拉·巴巴 （Gira Bhabha）推測，這根“魚叉”的高射速或許有助于其穿透腸道細(xì)胞表面的黏液層。

寄生蟲Anncaliia algerae的孢子（左側(cè)顯微照片）內(nèi)部緊密盤繞著一根如魚叉般的細(xì)管（右側(cè)示意圖）。時機(jī)一到，孢子便會“發(fā)射”出這根細(xì)管以刺穿宿主細(xì)胞。圖片來源: R. CHANG 等人 / ELIFE 2024

更加令人稱奇的是，在這根管子尚未完全伸直之前，具有感染性的物質(zhì)——據(jù)巴巴介紹，至少包含兩組真菌 DNA，甚至可能是整個細(xì)胞——就已經(jīng)開始在管中移動了。盡管極管的直徑僅有100納米，而包裹著 DNA 的細(xì)胞核直徑足足是它的7倍，但是它們竟然能硬生生地“擠”過去，并且移動速度幾乎與極管彈射的速度一樣快。

盡管早在150多年前人類就發(fā)現(xiàn)了微孢子蟲，但科學(xué)家們至今仍在試圖解析它們是如何克服物理限制完成這一動作的。巴巴與普拉卡什推測，這根“魚叉”在射出時可能發(fā)生了一種自內(nèi)向外翻轉(zhuǎn)，就像襪子被瞬間翻面一般。

普拉卡什表示，研究這些微生物界的“奧運(yùn)健兒”，其意義遠(yuǎn)不止于打破幾項(xiàng)紀(jì)錄，更在于定義生命體所能達(dá)到的極限。這些生物生活在一個與我們截然不同的世界里，它們所面臨的物理束縛和生存機(jī)遇，都是我們憑直覺難以理解的。

此外，普拉卡什補(bǔ)充道，探索那個微觀世界的奧秘還能激發(fā)出全新的發(fā)明靈感；例如，他認(rèn)為旋口蟲那種獨(dú)特的“剎車系統(tǒng)”，或許放大到人類尺度也同樣可行。

“極端之處，必藏珍寶?！?他如此說道。

作者：Amber Dance

翻譯：LogicMoriaty

審校：姬子隰

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【互動問題：你還知道微生物擁有哪些“物理外掛”，如果能夠擁有一項(xiàng)微生物的“物理外掛”，你最想選哪一個？打算用它來干什么？】

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為了保證更多的朋友能夠參與獲獎，過往四期內(nèi)獲過獎的朋友不能再獲得獎品，名次會依次順延

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編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場