认真阅读下面的文章，并思考文末互动提出的问题，严格按照互动：你的答案格式在评论区留言，就有机会获得由科学出版社提供的优质科普书籍《跟着TED学科学（动物以及人体与健康）》。
它们竞速、跳跃、旋转、射击。来认识一下这些生物吧，对它们而言，非凡的体能不仅仅是为了竞技——而是关乎生死存亡的大事。
若按体型比例来看，微生物比任何人类运动员都更快、更顽强。图片来源：MAKI NARO
在冬季运动中，雪橇运动员的滑行时速超过90英里（约145公里），冰球运动员击出的冰球时速可达100英里（约161公里），花样滑冰选手的旋转速度高达每分钟342圈——都可谓风驰电掣。
然而与微生物世界的极速狂魔相比，人类的这些壮举似乎并没有那么惊艳。在那永不停息的生存竞赛中，微小的捕食者与它们的猎物在追逐中迸发出惊人的速度。饥饿的微生物能够为了食物完成惊人的飞跃，还有些能够抛射出他们身体的一部分，还有些或能膨胀或能收缩——它们进行这些行为时所受到的力甚至远超宇航员发射升空时承受的压力。在这些竞速健将面前，即便是滑雪名将林赛·沃恩（Lindsey Vonn）也显得黯然失色。
尽管微生物身体微小，周围环境会对它们产生强大的阻力——微生物在水中游动，就好比滑雪者试图穿越和脖子齐深的蜂蜜赛道——但它们依然完成了这些惊人的运动壮举。在无休止的进化竞赛中，它们面临着生死攸关的较量。“微观世界并不是一个十分友善的地方，”2025 年《微生物学年度评论》（Annual Review of Microbiology）中一篇关于超高速微生物论文的合著者，斯坦福大学生物工程与海洋学家马努·普拉卡什（Manu Prakash）指出，“你不是在逃跑，就是在追猎。”
接下来，就让我们来认识一下微生物世界中那些值得被授予奖牌的极速健将。
最快的细菌
单纯就速度而言，目前的冠军是一种卵形细菌，被命名为“促动卵杆菌”（Candidatus Ovobacter propellens，这是一个非正式名称，因为科学家们尚未对其完成完整的描述，也未能成功在试管中将其进行分离培养）。这种细菌是在丹麦海岸外半米深的沙层中被发现的，它依靠约 400 根像尾巴一样的鞭毛进行游动，速度最高可达每秒1毫米。
不过，如果非要让所有微生物在同一个赛场上一决高下，那就太不公平了。毕竟它们体型差异巨大——有些极为庞大，有些极其微小——这意味着它们在运动时受到的环境阻力也截然不同。因此，在这篇综述中，作者们采用了“每秒移动的身长数”来作为速度的衡量标准。
促动卵杆菌的直径约4到5微米，在细菌界算是个大块头，其最高速度相当于每秒移动约 200个身长，速度惊人！然而很可惜，按照身长的速度标准，它被海洋趋磁球菌（Magnetococcus marinus）挤下了冠军领奖台。这个直径仅有一两微米的球形小家伙，游动速度竟高达每秒 500个身长！相比之下，不妨看看被誉为冬奥会最快项目的无舵雪橇，运动员疾驰的速度也不过是每秒25个身长左右。
图中展示了微生物促动卵杆菌的横切面（上图）和侧视图（下图）。可见其长有一束由约400根鞭毛组成的“尾巴”，它正是借此来实现高速游动。（此外，它还拥有一些用途尚不明确的独特膜结构，包括堆叠膜（sm）和膜带（mb）。）图片来源：T. FENCHEL & R. THAR / FEMS MICROBIOLOGY ECOLOGY 2004
科学家们用来测速的那株海洋趋磁球菌样本分离自美国罗德岛州的河口水域。拉脱维亚大学的跨学科科学家达米安·费夫尔（Damien Faivre）回忆道，当研究人员首次启用新型三维显微镜来观察这位极速健将时，它翻滚的速度实在太快了，以至于人们依然难以看清它的运动轨迹。
换用另一台显微镜后，费夫尔及其同事观察到海洋趋磁球菌以螺旋轨迹游动，犹如花样滑冰运动员在进行高难度的多周阿克塞尔旋转跳。它依靠两束旋转的鞭毛实现运动，每束包含七根鞭毛，分别位于身体的前后两端。费夫尔表示，准确追踪到这种螺旋式的运动轨迹，是认定海洋趋磁球菌创下纪录的关键所在：当科学家们根据它实际游动的总路程来计算速度时，结果令人震惊——“它实际游过的距离远远超出了我们的预期。”
该微生物之所以被命名为趋磁球菌（Magnetococcus），是因为它体内拥有一串磁铁矿晶体。这串晶体就像一个微型罗盘，能帮助它导航，找到它最偏爱的低氧环境。有朝一日，它或许能承担起向肿瘤内部（往往是低氧区）输送药物的重任。在一项研究中，科学家将数十个装满药物的膜状药囊附着在这些细菌表面，然后将其注射到小鼠体内，并利用磁铁引导它们抵达肿瘤附近。一旦到达预定区域，凭借其与生俱来的低氧趋向性，超过半数的细菌成功渗入到了肿瘤内部。
最快的古菌
古菌（Archaea）是微生物界的另一大“豪门”。它们与细菌有着天壤之别。其差异之大，丝毫不亚于人类与细菌的区别。过去，人们曾一度认为古菌在游泳方面是个“慢性子”。
然而，科学家在2012年的一项分析中彻底推翻了这一认知。古菌界的“速度之王”是绒毛甲烷球菌（Methanocaldococcus villosus），它的实力足以与前文提到的海洋趋磁球菌一较高下。这种略显圆润的微生物直径仅1到2微米，酷爱高温环境，而且还能释放甲烷。经测定，其最高速度达到了惊人的每秒468个身长。
绒毛甲烷球菌发现于冰岛北部的一处海底热液喷口。它的身上拥有50多根鞭毛，它不仅能够利用这些鞭毛游泳，还能借此附着在被称为“黑烟囱”的热液喷口岩壁上，有时甚至还会用它们与其他同类“手拉手”连接在一起。
不要小看海洋趋磁球菌和绒毛甲烷球菌它们的速度，以它们这种程度的速度运动会产生大量热量。试想一下，2022年北京冬奥会速度滑冰的金牌得主艾琳·杰克逊（Erin Jackson），她在500米比赛中的夺冠成绩是37.04秒。如果这位身高1米65的运动员能以“每秒500个身长”的速度冲刺，她只需约0.6秒就能冲过终点线。“但如果人类运动员真的做到这一点，身体恐怕会直接爆炸，”普拉卡什表示。微生物之所以能够飙出这种极速而安然无恙，全靠它们足够的小。与大型生物相比，微生物拥有极大的表面积与体积比（相对表面积大），这使得它们能通过外膜迅速将热量散发出去。
极速收缩高手
像伊利亚·马里宁（Ilia Malinin）这样的花样滑冰选手在旋转时会通过收拢手臂来加快转速，但原生动物大旋口虫（Spirostomum ambiguum）的“收身”动作要比人类极端得多。它能在短短5毫秒内，将其原本像蠕虫一样、1到4毫米长的身体瞬间“压缩”到不足原来的一半。
不过，生活在微咸水域中的旋口虫做出这样的行为并不是为了表演跳跃或旋转。当它进行收缩时，会从体内挤出毒素，以此来抵御捕食者。普拉卡什的团队研究发现，这种超高速的“缩骨功”还会产生一个液体漩涡，向周围的同伴发出警报，告诉它们“出事了”。随着周围的同伴相继做出收缩反应，这股波动还会被逐级放大，其传播速度比它们自身的游动速度要快上数百倍。这就像是一支配合默契的冰球队，这支微生物战队也借此实现了毒素喷射的同步化。
在旋口虫收缩的瞬间，它承受的加速度高达15个g（重力加速度），这大约相当于喷气式战斗机飞行员弹射逃生时所受重力负荷的下限。这种程度的力量理应摧毁细胞内部的一切；如果马里宁把自己的身体压缩成一半大小，可以肯定地说，他这辈子都别想再跳出阿克塞尔跳了。那么旋口虫是如何幸存的呢？普拉卡什的团队发现，旋口虫受到其内部一种网状膜结构的保护，这套系统起到了绝佳的减震器作用。
大旋口虫（Spirostomum ambiguum）的体长可达4毫米，却能在短短5毫秒内将自己收缩到不足原来长度的一半。图片来源: TIERBILD OKAPIA / SCIENCE SOURCE
极致膨胀大师
如果说旋口虫擅长极致的收缩，那么夜光梨甲藻（Pyrocystis noctiluca）则恰恰相反：这种会在黑暗中发光的海洋浮游生物能在不到 10 分钟的时间里，像吹气球一样将身体膨胀到初始大小的六倍。
夜光梨甲藻过着一种“上蹿下跳”的生活，每周都要在海水中完成一次垂直落差超过50米的往返旅程。普拉卡什在夏威夷海域收集的微生物样本中观察到了这种微生物的快速膨胀现象，并将其称为“世界上最优秀的马拉松运动员”。
在其活动范围顶层，距海面约60米处，夜光藻的直径约为200到700微米，它们在这里利用光合作用从阳光中获取能量。但是，为了获取深层海水中更丰富的营养物质，它们必须下潜。于是，它们会利用重力沉降到约150米的深处，并在那里完成细胞周期，分裂成两个新的细胞。然而，这个过程也存在风险，如果这些新生的细胞掉得太深，就无法克服重力和水压重返上层了。为了自救，它们会进行普拉卡什团队所描述的一种“弹弓式”机动。也就是通过快速吸入水分，大幅降低自身密度，从而像浮标一样借助浮力直冲海面。
超级射手
我们要介绍的最后一位极速健将是一种寄生虫。它能够以超过每秒 300 微米的速度射出一根“鱼叉” 穿透宿主细胞。这位神射手名为安卡利亚·阿尔及尔（Anncaliia algerae，下文简称A. algerae） ，属于微孢子虫（microsporidium）家族。这个庞大的家族拥有超过1700个物种，广泛感染各类动物，甚至会污染水源和食物。其中有十几种（包括 A. algerae）具备感染人类的能力，不过具体的感染频率目前尚不清楚。对人类而言，感染症状可能很轻微甚至无症状，也可能引发腹泻等多种不适；而对于免疫系统较弱的人群来说，这种感染可能是致命的。
通常情况下，A. algerae会以休眠孢子的形式随波逐流。这个卵形孢子长约4微米，体内紧紧盘绕着那根长达100微米的被称为 “极管”（polar tube）的“鱼叉”。一旦孢子落入适宜的环境（例如人类的小肠），它就会果断"开火"。约翰斯·霍普金斯大学的结构细胞生物学家吉拉·巴巴 （Gira Bhabha）推测，这根“鱼叉”的高射速或许有助于其穿透肠道细胞表面的黏液层。
寄生虫Anncaliia algerae的孢子（左侧显微照片）内部紧密盘绕着一根如鱼叉般的细管（右侧示意图）。时机一到，孢子便会“发射”出这根细管以刺穿宿主细胞。图片来源: R. CHANG 等人 / ELIFE 2024
更加令人称奇的是，在这根管子尚未完全伸直之前，具有感染性的物质——据巴巴介绍，至少包含两组真菌 DNA，甚至可能是整个细胞——就已经开始在管中移动了。尽管极管的直径仅有100纳米，而包裹着 DNA 的细胞核直径足足是它的7倍，但是它们竟然能硬生生地“挤”过去，并且移动速度几乎与极管弹射的速度一样快。
尽管早在150多年前人类就发现了微孢子虫，但科学家们至今仍在试图解析它们是如何克服物理限制完成这一动作的。巴巴与普拉卡什推测，这根“鱼叉”在射出时可能发生了一种自内向外翻转，就像袜子被瞬间翻面一般。
普拉卡什表示，研究这些微生物界的“奥运健儿”，其意义远不止于打破几项纪录，更在于定义生命体所能达到的极限。这些生物生活在一个与我们截然不同的世界里，它们所面临的物理束缚和生存机遇，都是我们凭直觉难以理解的。
此外，普拉卡什补充道，探索那个微观世界的奥秘还能激发出全新的发明灵感；例如，他认为旋口虫那种独特的“刹车系统”，或许放大到人类尺度也同样可行。
“极端之处，必藏珍宝。” 他如此说道。
作者：Amber Dance
翻译：LogicMoriaty
审校：姬子隰
fu
li
shi
jian
今天我们将送出由科学出版社提供的《跟着TED学科学（动物以及人体与健康）》。
《跟着TED学科学：动物》由TED-Ed项目中与动物相关的动画视频改编而来，共分为动物身体的秘密、生存进化与适应、物种融合与交流三个大板块，包含12个与动物有关的话题。分析了猫、狗、大象、章鱼、海龟、食人鱼、海蛞蝓、鲸等动物的生活方式和生理特征，探索了不同动物的眼睛的奥秘，研究了动物的疼痛体验。每个话题都延续TED的叙事科普风格，将生命的独特原理串联在一个整体叙事框架之中，以探究性问题或事件引入，逐步进入深度思考和学习，并最终得到结论。
《跟着TED学科学：人体与健康》由TED-Ed项目中与人体与健康相关的动画视频改编而来，共分为身体、生活习惯、运动三大板块，包含10个人体与健康相关的话题。身体板块涉及皮肤、蛀牙、免疫系统、生物节律等话题，生活习惯板块涉及喝水对身体影响、久坐的危害、驼背等话题，运动版块聚焦在运动对身体的影响方面。所有的话题都从与身体相关的问题入手，逐步阐述这种问题，最终给出相应的结论。
【互动问题：你还知道微生物拥有哪些“物理外挂”，如果能够拥有一项微生物的“物理外挂”，你最想选哪一个？打算用它来干什么？】
请大家严格按照互动：问题答案的格式在评论区留言参与互动，格式不符合要求者无效。
截止到本周四中午12：00，参与互动的留言中点赞数排名第二、三、五的朋友将获得我们送出的图书一套（点赞数相同的留言记为并列，下一名次序加一，如并列第二之后的读者记为第三名，以此类推）。
为了保证更多的朋友能够参与获奖，过往四期内获过奖的朋友不能再获得奖品，名次会依次顺延
*本活动仅限于微信平台
编辑：姬子隰
翻译内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
热门跟贴