上海交大张何朋课题组与唐敏课题组合作在真核微生物中发现莱维行走及随机导航策略
近日，上海交通大学自然科学研究院与物理与天文学院的张何朋课题组，与自然科学研究院及数学科学学院的唐敏课题组合作，在️Physical Review Letters发表了题为 “Biased Lévy Walk Enables Light Gradient Sensing in Euglena gracilis” 的研究论文。该研究首次在真核微生物中揭示了莱维行走（Lévy walk）和随机导航策略的存在，为理解微生物运动模式提供了新的视角。
在复杂的生存环境中，生物资源的分布通常具有显著的时空波动。为了适应并生存，微生物需要具备感知与响应外部信号的导航能力。传统观点认为，真核微生物（如藻类和精子）主要依赖确定性导航策略，即通过精准感知信号梯度并调整运动方向。然而，研究发现，真核生物也表现出随机运动状态的切换行为，这一现象引发了一个关键问题：真核微生物是否也能通过调节状态切换率来实现随机导航？
左图：实验装置；中图：莱维行走中的行走时间分布；右图：梯度光场中的细胞运动轨迹
为探究这一问题，研究团队聚焦于光响应微生物——纤细裸藻（Euglena gracilis），并在受限空间内开展实验。利用特制的高精度成像系统，研究人员对单个细胞的运动轨迹进行了长时间跟踪和分析。实验发现，在均匀光照下，纤细裸藻的运动轨迹表现出典型的随机运动模式，即长时间的直线行进（run）被突发的方向改变（tumble）所打断。进一步分析表明，这些“直行”阶段的长度符合莱维行走的长尾分布，并且其幂律指数随光强变化而调整。在光梯度场中，纤细裸藻能够根据光强变化动态调整直行长度，使得莱维行走产生方向性偏置，从而沿着光梯度向上移动。这一实验结果在基于个体的数值模型中得到了成功验证。
该研究明确揭示了纤细裸藻采用偏置随机游走（biased random walk）的随机导航策略，这一策略可能在其他真核微生物中普遍存在，尤其是在已观察到随机运动状态转换的生物体中。结合先前对原核生物的研究，该研究进一步提出：偏置随机游走可能是一种通用的随机导航策略，不仅适用于原核微生物，也可能在真核微生物中广泛存在。此外，这一发现为仿生人工微型游泳器的控制与优化提供了重要理论支持，在智能微流控系统、生物医学工程和环境监测等领域具有潜在应用价值。
上海交通大学自然科学研究院是一个融合物理、数学、生物、化学、计算机等多学科的交叉研究平台。本研究正是依托这一平台，结合物理、生物与应用数学的多学科知识，并综合实验、计算与解析理论等多层次方法，开展的一项典型交叉科学研究。在本研究中，上海交通大学自然科学研究院和物理与天文学院张何朋课题组、自然科学研究院和数学科学学院唐敏课题组合作，首次在真核微生物中揭示了莱维行走（Lévy walk）与随机导航策略的存在，为深入理解微生物的运动模式提供了新的视角。
该研究论文的第一作者为上海交通大学博士生李聿安，张何朋教授与唐敏教授为共同通讯作者。研究工作得到了科技部和国家自然科学基金的资助。
️论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.108301
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