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第2次征文赛评选结果揭晓, 具体请见今日第二篇文章. [遇见数学翻译小组]核心成员: YX 九零后白羊座，学过国际政治、英语、法律，喜欢游泳、网球、马拉松，崇拜卡尔维诺、米切尔恩德、陀思妥耶夫斯基，但是谁说文科生不能欣赏数学语言的简洁、逻辑性和想象力?（请各位朋友多多指教，wechat: yangxiaokm） 英文:plus.maths.org/content/synchronised-swimming 在剑桥大学地下实验室的一个水箱中，一个微小的绿藻正在拼命划水。这种单细胞生物有两条像头发一样的肌动蛋白丝臂。另外一个水箱中的水藻有4条肌动蛋白丝，仿佛一匹马在奔跑、跳跃。另一些水藻有上百条肌动蛋白丝，他们看上去就好像夏威夷舞一样，推动着母细胞前进。令人惊讶的是，他们做到这些并不依靠思维、意念或者任何像大脑的东西。 这种水藻名叫Volvocales，团藻目的有机体即包括单细胞生物，也包括有上千个细胞组成的有机体，这正是有趣之处：研究单细胞生物能启发我们思考细胞构成的有机体（大到人体）是如何从单细胞进化而来的。因为 volvocales在池塘和溪流中很常见，也容易在实验室培养，它们很久以来就被生物学作为有机受试体。 令人惊讶的是，上面提到的实验室并不属于剑桥大学生物系，而是属于数学系。“从物理学和数学的观点来看，水藻十分的有趣，因为他们有美丽的、高度对称性（球形）以及令人惊异的位移方式。” Goldstein说到（他是应用数学和理论物理系 复杂物理系统研究方向 教授）。“他们是研究生物物理和流体力学很多问题的绝佳模型。总之他们是让每个领域都很好奇的模范有机体。” 水藻特别有趣的一点是它们的“手臂”也被称作鞭毛，被称为cilia，如同头发丝一样的肌动蛋白甚至在人体中也存在，事实上他们无所不在。Ray Goldstein 解释到“卵子能从输卵管下降，就是因为cilia而制造的液体流。在人体中你观察到他们是令人激动的（就像看到了墨西哥湾暖流一样）。” “当我意识到水藻的这个特性，我就认为这是一个值得深入研究的议题。没有人理解这种同步协调运动是如何发生的，但这对于鞭毛的作用来说却是最基础的。如果他们只是随意的摆动，那么就无法制造有效的液体流。”Goldstein说到。 研究概要 水藻volvocale的鞭毛比人体内的细胞纤毛更容易观察，所以它们是研究同步协调运动极好的对象。Goldstein和他的团队，选择了水藻家族中最简单的一种开始研究：名叫Chlamydomonas 这种单细胞的水藻有两条鞭毛，并且像游蛙泳一样划水。 我们把体外受精所用到的技术用来观察水蚤。Goldstein说“我们用玻璃质的毛细管抓住水蚤，就像在人工授精中抓住卵子一样。这样一来我们就可以观察水蚤鞭毛的运动，而不是追着她到处跑。”  捏起一个水藻, 但仍保持不断划水的状态 没有人知道Chlamydomonas水藻两根各自独立的鞭毛是如何做到有节律的摆动的。这种节律性，意味着你可以把每根鞭毛当做一个节拍器，就像钟摆一样。钟摆同步摆动的机械原理在17世纪就被熟知。这个问题相当有趣，因为准确的计时对于航海十分重要。Christiaan Huygens（惠更斯）观察到两根钟摆（振子）镶嵌固定在一个可移动的支撑平台上，例如椅子或者墙上，最终他们将会形成同步运动。他推论解释道，这是因为墙或椅子的，震动推动着两根不同的钟摆使他们同步协调运动。 作出上述猜想的科学家，缺乏适当的工具来观察这些微小的游泳者。直到最近我们才有条件进行细微的观察。Goldstein和他的同事用高倍速显微摄像机，观察这些微小的生物。想象你自己被一个巨人用一根吸移管抓住，然后做蛙泳动作，你会注意到你的手肘形成的运动轨迹是一个椭圆形。鞭毛的运动轨迹就是这样的椭圆形。如果一个物体做椭圆轨迹运动，你就能够轻易的描述出他在给定时间给定角度的具体位置，如下图所示。通过测量每一根鞭毛在不同时间所形成的角度，研究人员就能发现鞭毛何时以及持续了多长时间进行同步协调运动。2008年一个德国的研究小组发展出了一个简化的数学模型，用来描述鞭毛与水的互相作用过程。鞭毛的运动轨迹用一个椭圆形的半球来表示，这看上去可能很简陋，但这对于研究水是如何流过水蚤四周是足够的。  椭圆上的每个点由一个角度确定。 水的力量 数据显示海藻的两根鞭毛在85%的时间中进行同步协调运动，这有一个合理的解释——当它像蛙泳一样划水的时候就直线前进，大部分的时候是在前进，然后随机转身，这也被数学家描述为随机漫步。这用进化来解释也能说得通，为了觅食或者躲避猎食者，总是走直线并不是一个好的策略。细菌同样采取这个策略。 这样做就不用观察整条鞭毛的运动，只需要将半球代表的运动轨迹描述出来。通过这个模型，你能够轻易的进行流体力学的计算。两个半球的运动通过流体结合到一起，你可以想象有一个很小的发条在中心协调控制着他们。想象有一个数学曲柄在控制他们，令人惊讶的是这个结论与Robert Adler在几十年前描述并发展出的电子工程学双节拍器原理相同。 研究团队用他们精心选取的数据建立参数，然后得出了一个有趣的结论。“我们建立起了一套理论用来说明鞭毛之间的互动与流体力学协同运动的机制在很大程度上相一致。”这是第一次通过实验支持了鞭毛协调运动是由于液体流的作用。 引入新变量 但是仅仅因为流体力学的作用使鞭毛同步运动并不意味着这就是唯一的因素。在研究了这个理论之后，他和团队回到实验并通过改变控制变量来研究：找一些有缺陷的水藻。“如果你用电子显微镜仔细观察，你就会发现在”一组鞭毛的根部，隐藏在细胞壁的下面有相连接的肌动蛋白丝。”我们找来一些天生缺陷的水藻，他们缺少相连的肌动蛋白丝。实验的结果是几乎100%的时间这些有缺陷的水藻两条鞭毛都没有在同步运动。“在这个实验中，除非两条鞭毛靠得非常近，他们才能做同步协调运动。这使得我们想可能并不仅仅流体力学的作用造成了同步协调运动，（内部）肌动蛋白丝的结构同样扮演了重要的作用。” 更复杂的有机体当然不止两根鞭毛，他们当然也有肌动蛋白丝相连。“其中有一种叫做Tetraselmis的水藻，有四条鞭毛，他们运动的方式真是令人惊讶，”Goldstein说“他们运动的方式就像马奔跑时四肢分别落地一样，甚至像马一样有着奔跑和漫步的不同步调。大量的研究集中在细胞内部肌动蛋白丝结构，这使我们发现对称的划水方式反应了对称的内部连接方式。” 为了进化而游泳 Goldstein 和他的同事不仅仅研究了Chlamydomonas水藻的运动，更重要的是为研究人体内像头发丝一样细微的纤毛建立了实验及数学模型的基础。“我们身体中有些结构是：很多拥有多纤毛的大细胞密集的聚在一起；有的结构是：细胞的间隔非常大。我们认识到纤毛的同步运动有些情况下是靠流体力学的作用（那些靠得非常近的细胞）；但是有些情况下，例如输暖管中，纤毛组成的“地毯”是由于其底部有肌动蛋白丝相连才实现同步运动的。所以在身体内，这两种作用同时存在。”  藻类在它们的滑动中前进 水藻在从单细胞到多细胞的进化阶梯上扮演了重要的作用。每一个活着的生物都需要具备两个功能：吸入营养以及排出代谢产物。Volvocales水藻在其表面完成这个过程。正是因为它球形的表面易于观察和计算，我们才能计算出代谢率。 有机体不能利用通过鞭毛去搅动身边的液体来完成新陈代谢（因为没有鞭毛的话，新陈代谢耗费的能量就会超过从被周围流体稀释的环境中所获得的能量）。进化出鞭毛使得Volvocales突破新陈代谢的瓶颈以至于能长得更大。这使我们认识到流体的作用对于单细胞进化到多细胞有机体的重要意义。 END |
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