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细胞也会走迷宫!《科学》新研究揭示其特殊技巧

细胞是如何走迷宫的?

在我们体内,细胞时刻上演着“走迷宫”般的长距离迁徙。无论是胚胎形成、神经发育还是癌细胞转移、免疫反应等生理过程,都需要经过复杂的生理环境,找到目标地点。但是,这些细胞是如何做到这一点的?

一个已经得出的结论是细胞的趋化性:身体内的很多化学物质都存在浓度梯度,而细胞会根据某些化学物质的浓度梯度,从低浓度向高浓度区域迁移。不过,这个假说似乎不能解释所有的细胞迁移场景——例如,癌细胞在体内转移的路线上,化学物质的浓度梯度显然不可能是一路递减的。因此,一定存在着其他的机制来解释这一现象。

类似的现象也出现在一种黏菌中。当缺乏食物或面临生存威胁时,成千上万个有盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)会集体地向周围释放一种化学物质——环磷酸腺苷(cAMP)。当这些黏菌接收到信号时,它们会根据这一信号移动,并且又会向周围继续发射cAMP信号。最终,这些黏菌聚合成一个多细胞的集群。因此,这些黏菌相当于自行创建局部的化学浓度梯度,从而实现移动。那么,这也是身体中细胞实现长距离迁移的机制吗?

最近在一项发表于《科学》的文章中,研究人员分别用癌细胞和黏菌做了一组迷宫实验,让它们走汉普敦宫迷宫的模拟版。

汉普敦宫迷宫

研究人员发现,细胞确实是依靠化学浓度的梯度前进,能辨别前后1%的化合物浓度差异。在一个具有浓度梯度的迷宫中,它们能顺着浓度梯度往前移动。但是,当迷宫中的化合物浓度一样时,它们明显移动得更快。实际上,在这一过程中,细胞通过产生降解cAMP的酶,给自己制造一个前后极高的浓度差。这时化合物的浓度扩散会加剧,它们也会加快向前移动。

走迷宫的黏菌

走迷宫的癌细胞,速度慢于黏菌

此外,当细胞碰到一个死胡同时,它们重新选择新的路径。由于它们消耗了里面的cAMP,它们为后续的细胞排除了“错误选项”,使得随后到来的细胞不再选择这条死路。因此,这些细胞能找到走出迷宫的唯一或最短路径。

在模拟的汉普敦宫迷宫中,细菌能找到最短的路线。

研究中还出现了另一个有趣的现象。虽然盘基网柄菌和癌细胞能采用相同的方法走出同一个迷宫,但它们所需要的时间相差极大。盘基网柄菌花45分钟行走的距离,癌细胞需要花48个小时。导致这一现象的原因是,由于吸引各种细胞的趋化因子并不相同,癌细胞会受到溶血磷脂酸(LPA)的吸引。虽然癌细胞会降解LPA,但LPA扩散的速度远会低于cAMP的扩散速度,因此也限制了癌细胞的移动速度。

窥探吸积盘形成过程

当恒星靠近超大质量黑洞时,会被潮汐力撕裂,这便是“潮汐破坏事件”(tidal disruption events,TDE)。一旦恒星物质掉入黑洞,就产生明亮的辐射。天文学家可以通过研究这些TDE中的光,来了解那些潜伏在星系中心的超大质量黑洞的吞噬行为。

近期,由加州大学圣克鲁斯分校(UCSC)的天文学家所领导的新TDE观测项目明确观测到,恒星产生的碎片能在黑洞周围形成一个吸积盘(accretion disk)。该校的博士后、论文第一作者Tiara Hung表示,理论物理学家一直在就潮汐破坏事件能否有效形成吸积盘而争论不休,这项发表在《天体物理学杂志》上的新发现将有助于解决这一问题。

根据经典理论,由吸积盘所驱动的TDE耀斑能从内部区域产生X射线,在这片区域中,高温气体旋转进入黑洞。但对于大多数TDE,我们看不到X射线,因此有人认为我们观测到的不是吸积盘,而是星状碎片流碰撞产生的辐射。

2018年,UCSC的天文学和天体物理学教授Enrico Ramirez-Ruiz与香港大学的Jane Dai发表了一种理论模型,试图解释为何尽管形成了吸积盘,但在TDE中却通常观察不到X射线。在这个结合了广义相对论、磁场、辐射和气体流体动力学等要素的理论模型中,观察者的视角是导致观察结果差异的原因。

2018年11月,超新星全天空自动调查(ASAS-SN)首次监测到了TDE(名为AT 2018hyz)。随后,UCSC天文学和天体物理学助理教授Ryan Foley便与他的团队开始了对TDE的监测。

在里克天文台观测TDE时,Foley发现了一个异常光谱——具有双重峰值的氢光谱线。

原来,这种双峰频谱是由多普勒效应引起的。多普勒效应能够改变移动物体所发出波的频率。朝着你驶来的汽车声音音调会升高,而背着你驶去的汽车声音音调会降低,这便是最常见的多普勒效应。

在吸积盘中,气体以类似的方式在黑洞周围运动。若以一定角度观察,在围绕黑洞盘旋的吸积盘中,某些物质将向观察者移动,因此它发出的光将被转移到更高的频率;而某些物质在远离观察者,其发出的光将移到较低频率。双峰谱线就此产生。

与从任何角度都能观测到的X射线不同,双峰特征对吸积盘与观测者之间的倾角很敏感,存在着最佳观测方向,因此观测角度很是重要。正如Ramirez-Ruiz所说,“我们这次十分幸运。”

该团队在接下来的几个月中继续收集数据,并用几台望远镜观察了TDE随时间的演变。Hung对数据进行了详细的分析,发现在恒星破裂后的几周内,吸积盘的形成相对较快。尽管双峰辐射非常罕见,但在光学探测TDE时,吸积盘的形成可能很常见。Ramirez-Ruiz表示,这些观测结果表明,即使未观测到X射线,也会有吸积盘形成。

编译:石云雷 樊亦非

编辑:吴非

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