硅藻逻辑：潮滩生态系统中的可重写活性向列电路

在海洋—陆地交界处，分布着一种至关重要却在很大程度上被忽视的生态系统——潮滩[1]。这些栖息地被硅藻定殖，硅藻形成薄层表面生物被膜，构成尺度从米级延伸至千米级的生态系统尺度细胞集群[2-4]。这些集群如何在广阔的时空尺度上协调其功能，仍缺乏充分认识。实现这一过程既需要远距离传递信息，也需要长期存储信息[5, 6]。在细胞集群中，人们已知触发波能够提供快速且无衰减的信号传递[7-9]，而细胞外基质则使细胞能够将结构记忆外化[10-12]。然而，传播信号与结构记忆如何整合并塑造集群功能，仍然难以解释。通过结合野外观测与实验室重构，我们发现，潮滩硅藻能够组装形成活性向列回路，将触发波的物理路由嵌入结构记忆之中。在这一过程中，触发波招募静息状态的硅藻，使其在向列指向矢的引导下进行极化运动；拓扑缺陷则充当闸门，使传播中的波前得以聚焦或分叉。记忆遵循“快速读取、缓慢写入”的规则：快速信号会使细胞向列结构发生形变，而缓慢演化的细胞沉积黏液则保留一个隐藏的取向模板，引导向列排列的恢复。引人注目的是，反复出现的波会逐步重塑向列结构，使集群能够重新塑造其未来的信号路由。将快速波传播与细胞外记忆耦合起来，使细胞集群得以化解稳定性—可塑性困境，在维持结构凝聚性的同时适应反复刺激。我们的研究揭示了此前未被发现的适应性向列回路，这些回路能够在生态尺度上自组织，为时间可编程活性材料建立了物理学框架。

在海洋—陆地交界处，分布着一种至关重要却在很大程度上被忽视的生态系统——潮滩[1]。这些生境被硅藻定殖，硅藻形成薄层表面生物膜，构成尺度从数米延伸至数千米的生态系统级细胞集群[2-4]。这些集群如何在广阔的时空尺度上协调其功能，仍知之甚少。实现这一过程既需要远距离信息传递，也需要信息的长期存储[5, 6]。在细胞集群中，已知触发波能够提供快速且不衰减的信号传导[7-9]，而细胞外基质则使细胞能够将结构记忆外化[10-12]。然而，传播信号与结构记忆如何整合并塑造集群功能，仍尚不明确。通过将野外观测与实验室重构相结合，我们发现，潮滩硅藻能够组装形成主动向列电路，将触发波的路由在物理上嵌入结构记忆之中。在这一过程中，触发波招募静止的硅藻，使其在向列指向矢的引导下进行极化运动；而拓扑缺陷则充当闸门，使传播的波前聚焦或分叉。记忆遵循“快速读取、缓慢写入”的规则：快速信号使细胞向列发生形变，而缓慢演化的、由细胞沉积的黏液保留了一个隐性的取向模板，引导排列恢复。值得注意的是，反复出现的波会逐步重塑向列结构，使集群能够重新塑造其未来的信号路由。将快速波传播与细胞外记忆耦合起来，使细胞集群得以解决稳定性—可塑性困境，在维持结构凝聚性的同时适应反复刺激。我们的研究揭示了此前未被发现的适应性向列电路，这些电路能够在生态尺度上自组织，为时间可编程主动材料建立了一个物理学框架。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.14.751632v1?rss=1

🏷️ 硅藻 潮滩生态系统 活性向列 触发波 细胞外基质记忆 拓扑缺陷