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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