许多浮游生物从寒冷、黑暗的海洋深处游到水面，最终又会以永恒的节奏再次漂流到黑暗中。然而，单细胞浮游植物如何完成这一朝圣之旅仍然是个谜，它们大多没有附肢来帮助它们游泳。

在10月17日发表在《当代生物学》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种名为夜光火藻的生物发光浮游植物，其体积可膨胀至原来的六倍，即几百微米。

这种大规模的膨胀使得浮游生物能够游到距离海面200米远的地方来获取阳光，然后下沉，展示了一种独特的长距离海洋旅行策略。

浮游植物平均比海水重5-10%，这意味着，如果它们想留在水面进行光合作用，就必须找到一种克服重力的方法。

斯坦福大学海洋生物学家和生物工程师、资深作者马努·普拉卡什(ManuPrakash)表示：“我们决定研究这些看似没有附肢可以游泳的生物。”

“我们在本文中发现，这些夜光藻细胞就像小型潜艇，可以精确控制其密度，从而选择它们在水柱中的位置。”

在夏威夷海岸的一艘研究船上，普拉卡什和斯坦福大学的博士后研究员、这项研究的第一作者之一亚当·拉尔森偶然发现了一群夜光藻，并惊讶地在他们的网中发现了两种大小截然不同的藻类。

“我们花了一段时间才弄清楚为什么会发生这种情况，直到我们录制了视频，看到细胞大量膨胀，”拉森说。“这种情况发生得非常突然，所以如果你在显微镜旁睡了10分钟，你可能会错过它。”

为了测试这种快速生长对浮游生物可能产生的影响，研究小组利用了他们新颖的“重力机”。

普拉卡什说：“重力机让我们能够在无限的水柱中以亚细胞分辨率看到单个细胞。”

“它有点像沙鼠或老鼠的摩天轮，不过是单细胞的。它的大小跟餐盘差不多，而且会旋转，所以细胞不知道它在自己的参考系中是上升还是下沉。”

通过改变重力机内的水压和密度，该团队可以创建一个模拟海洋深度的虚拟现实环境。利用该机器，该团队发现膨胀的细胞密度低于周围的海水，从而使它们摆脱重力的向下拉力并漂浮到虚拟表面。

进一步的研究表明，这种扩张是浮游生物细胞周期的自然组成部分。一旦单细胞浮游生物分裂成两个，一种称为液泡的内部结构(一种灵活的水箱)就会在淡水中过滤，导致两个新细胞的尺寸大幅增大。

这两个子细胞现在被较轻的淡水所膨胀，向上漂浮。“我们意识到，这是一种非常聪明的方法，可以在细胞分裂过程中在海洋中弹射，”普拉卡什说。

“那么，在正常情况下会发生什么?你会制造大量的蛋白质，享受大量的阳光，制造大量的生物量，直到你变得更重并下沉。然后，你在更深的水域进行细胞分裂，并利用膨胀回到母亲的大小。”

整个细胞周期大约需要七天，与浮游生物垂直追寻光和营养物的时间一致。“然后你就能明白这个细胞周期是如何进化的，”普拉卡什说。

“我认为这是我们第一次有明确的证据表明，细胞周期(控制细胞和细胞分裂的基本机制)可能受生态参数控制。”

基于这些见解，研究小组利用理论框架发现生态参数是推动这一演变的根本限制。

“所有细胞都会受到向下的引力作用，除非它们或随后的子代细胞进行反击，否则它们将在引力陷阱中永远沉入海底，”该研究的另一位第一作者、斯坦福大学博士后研究员拉胡尔·查瓦(RahulChajwa)说。

现在，研究小组利用重力机的结果以及他们的生态和生理观察，开发了一个可以推广并应用于海洋中所有浮游生物的数学框架。

对于未来的项目，普拉卡什的实验室正在寻求揭开大量浮游生物的隐藏秘密，这些浮游生物可能利用新的生物化学来调节密度并在水柱中上下移动。

“目前，我们的行为图谱中大约有600个物种，我们正在系统地测量各种机制。事实证明，有四五种不同的技巧都在共同进化以实现这一功能。我认为真正有趣的线索之一是，我们有一份很长的生物清单要研究;因为海洋中生活着数百万种物种，这只是冰山一角。”

Prakash实验室的研究生李洪泉也是该研究的作者之一。