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一花一世界，一樹一菩提。2017年物種日歷里介紹的zui小萌物，毫無疑問是體長200～300μm的大草履蟲。作為所謂的原生生物，這些芥子須彌的單細胞生命有著與我們?nèi)祟惔笙鄰酵サ纳嬷馈?/span>
# 不過在了解它們之前先有一個密恐預警
可愛的大草履蟲。
正是這些神奇的結構和多樣的功能，為生物學研究提供了有趣的原材料，讓我們有機會洞悉生命的基本法則。今天，我們就來了解一種諾貝爾獎背后的微小功臣——嗜熱四膜蟲Tetrahymena thermophila。
嗜熱四膜蟲的掃描電鏡照片。
顯微鏡下看它們游泳
嗜熱四膜蟲可以算是大草履蟲的近親，二者都屬于囊泡蟲類的纖毛蟲門，有著一身短短的纖毛。比大草履蟲更加嬌小的四膜蟲，體長只有50μm左右，有著一副微胖界的梨形身材。
身材可愛的Tetrahymena sp.。
四膜蟲的細胞表面從頭至尾平行分布著18～20列纖毛，“頭頂”附近的口器中還有四個纖毛密集的條形區(qū)域，在早期的光學顯微鏡下看起來好像四列“膜”，因此得名四膜蟲（tetra是希臘語的“四”，hymenium就是“膜”，比如蜜蜂所屬的膜翅目就是hymenoptera）。
用熒光試劑染色后，我們可以在熒光顯微鏡下看到的嗜熱四膜蟲的部分細胞結構：基體是纖毛根部嵌入細胞膜的結構，而在細胞膜下方，一列列的動纖絲把基體連接起來（圖片的比例尺長度是10μm）。
世界上的生物有成千上萬種，但在生物學研究中，科學家們常常選擇一些特定的“模式物種”來集中精力研究，希望通過研究這些物種增進我們對普遍生命規(guī)律的了解。四膜蟲就是一種的模式生物——它們極其好養(yǎng)。
要找它們也很容易。
在野外，四膜蟲像大草履蟲一樣生活在營養(yǎng)豐富的淡水環(huán)境中，靠著纖毛擺動前進，遇到能塞進嘴里的東西是來者不拒。四膜蟲吞食的食物也會在體內(nèi)形成食物泡，消化完畢后的殘渣從細胞后端排出。四膜蟲可以在很多人工環(huán)境下開心地生長，zui快2～3小時就能繁殖一代。
“啊呀呀我游啊游。”
超好養(yǎng)的它們有什么用
除了能生養(yǎng)，這個獼猴桃（或者說長毛的牛油果）還有一些非常有趣的性質。比如說，四膜蟲渾身的纖毛由細胞內(nèi)部發(fā)達的“細胞骨架”支撐，所以，可以大量培養(yǎng)的四膜蟲是純化細胞骨架相關蛋白質的好材料。1965年，科學家就利用四膜蟲發(fā)現(xiàn)了在細胞骨架上充當“搬運工”的動力蛋白(dynein)。
右下角即是四膜蟲的骨架結構及細胞器縮略圖。
在細胞骨架上，另一類“搬運工”驅動蛋白(kinesin) 正在沿著微管拖動膜泡包裹著的貨物。
更有意思的是嗜熱四膜蟲的遺傳機制。它們既可以通過細胞直接分裂來完成無性生殖，也可以兩兩結合、交換遺傳物質。作為一種纖毛蟲，四膜蟲的細胞核也是有大小兩個，其中小核含有五對染色體，負責保存四膜蟲用于傳宗接代的遺傳信息，是分裂過程和交換遺傳物質時的主角。
嗜熱四膜蟲的熒光顯微圖像，可以看到口器部分密集的纖毛和細胞內(nèi)部充滿藍色DNA的細胞核。
分裂增殖時，小核有絲分裂，其中的遺傳信息被復制成*相同的兩份進入兩個子代細胞中；當兩個四膜蟲互相接合時，也是小核的遺傳物質在二者間進行了交換，而接合前的大核則會被細胞消化掉，接合之后再由小核分裂生成一個大核。
圖示四膜蟲的生殖方式：左側是分裂增殖過程，右側是接合生殖過程；接合時，兩個四膜蟲的小核交換而大核降解。
但是，大核對于四膜蟲來說同樣重要。在大核中，DNA分子舒展開來，合成RNA分子以指導蛋白質的合成，從而指揮各項生命活動。更神奇的是，來自小核的五條染色體在形成大核時被RNA干擾機制切割成了將近200條，每條染色體不再只有2個拷貝，而是有45個拷貝之多。
我們熟悉的人類染色體是2個拷貝。
由RNA干擾機制執(zhí)行的切割有一個重要的功能，就是把新大核的DNA序列跟舊的進行比較，切掉多余的部分。這個過程可以避免垃圾序列在四膜蟲基因組中不斷積累，浪費寶貴的生存資源。作為單細胞生物，錙銖必較的生活也是很不容易呢。
不小心出席了幾個諾獎
“自我切割”后產(chǎn)生這么多染色體的四膜蟲，又不小心幫助了科學家們。每條染色體的兩端都有“端粒”結構，這個結構可以保護我們的遺傳物質免于損壞、丟失。相較于其他生物細胞中端粒結構的有限數(shù)量，四膜蟲大核里的將近一萬條染色體提供了大量的端粒。
染色體兩端的黃色部分就是端粒結構。
2009年，諾貝爾生理學和醫(yī)學獎頒發(fā)給了端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)者，而他們的工作就是在四膜蟲中進行的。1989年，科學家們在四膜蟲中發(fā)現(xiàn)了具有催化性質的RNA核酶，拿下了諾貝爾化學獎。除此之外還有RNA干擾機制、組蛋白修飾等很多重要的研究，都離不開四膜蟲這種模式生物。
端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)者。
2006年，嗜熱四膜蟲的大核基因組完成測序，人們發(fā)現(xiàn)了前面所說的切除垃圾DNA的過程。2013年，科學家又發(fā)現(xiàn)了四膜蟲奇葩的性別決定機制：子代表現(xiàn)出的性別和親代沒有任何關系，而是在大核基因組形成時隨機挑選7種性別中的一種。
“我是誰？？？”圖片：pescefulprotist.com
作為和我們?nèi)祟愊嗳ド踹h但又同宗同源的模式生物，嗜熱四膜蟲不斷向我們展示著自然的多樣和生命演化的神奇，在“格物致知”的生物學研究中幫助人類越走越遠。
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