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被误会了三百年的“小蝌蚪”:这才是精子真正的游动方式 | 多图预警

作者: 学术头条

时间: 2020-08-04 18:29

你不了解的“小蝌蚪”

【导读】300年前,列文虎克在显微镜下观察到2D精子游动图像,使得人们一直以来都以为精子靠其尾部左右摆动着前行。然而一项新的研究通过3D显微镜却发现,精子真正的游动方式,应是呈螺旋波形滚动前进。文末有视频哦。

我们知道,每个人都从受精卵发育而来:几千万个形似蝌蚪的精子,一出生就注定踏入赛道,争先恐后的当那个“最优解”,而后到达“终点”、获得奖赏---与卵细胞结合,孕育出生命的奇迹。

然而,在这一看似属于“常识”的过程中,却有一个长期被人们误解的奇怪知识,那就是---万员赛跑时,精子究竟是如何向前游动的?

让我猜一猜,你脑海里浮现的画面是不是这样的?

恭喜您,回答错误。

近日,一项发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的研究打破了关于精子“游动”的普遍观点,认为小蝌蚪们前进时,并非靠对称性的二维摆动(如图a),而是不对称的螺旋式三维前进(如图b)!

图a 海鳗游泳时的二维摆动

图b 海獭游泳时的三维旋转

从 2D 到 3D:跨越三个世纪的精子研究

300 多年以来,科学家一直认为人类精子通过左右对称的方式摆动尾巴(鞭毛)来游泳。但其实,这一结论并不正确,因为我们一直在用 2D 显微镜观察它们。

1677 年,荷兰人安东·范·列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)在显微镜下首次观察到人类精子活细胞(其实是列文虎克本人新鲜出炉的精子)。科学家后来称它们为“蛇状运动,像水中的鳗鱼”,而且这种观点一直持续到现在,甚至成为“常识”。

然而此次,由布里斯托大学等组成的研究团队,使用最先进的 3D 显微镜和数学技术,率先重建了精子尾部的 3D 真实运动。

他们使用了一架每秒拍摄超过 55000 帧的高速相机,配合带有压电装置的显微镜载物台,以极高的速率上下移动样品,由此拍摄了精子自由游动的 3D 图像。

由此,研究人员得出结论:精子游动时,其头部并非固定不动,而是会转圈(如同地球自转),其尾部(鞭毛)也并非在同一水平面上摆动,而是如同螺丝那样旋转着前进。

论文作者之一、布里斯托大学工程数学系 Polymaths 实验室的负责人、生育数学专家Gadelha 博士说:“用 2D 显微镜从上方观察时,精子快速、规律的旋转会导致一种错觉,让我们觉得精子的尾巴似乎具有左右对称的运动,就像‘水中的鳗鱼’。”

但是,Gadelha 说:“想象一下你只能用一条腿游泳—,在没有手臂帮助平衡身体时,你一定会绕着圈子游,但是如果你游泳时从一边旋转到另一边,你就可以平衡划水的不对称性。”

聪明的精子:转着转着就前进了

现在我们知道,精子会绕着圈游动,但问题是,如果是绝对的对称绕圈,精子只能在原地打转,不可能快速向前移动。但人类精子似乎很聪明,它们已经巧妙地找到了向前游动的方法。

为了揭示了精子边转圈边前进的奥秘,Gadelha 领导的研究团队首先利用(x,y,z)轴将精子的 3D 运动切分为两个平面:z 平面和 b 平面。而后利用计算机辅助,记录下不同平面下的运动波形。

通过分析这些波形,研究人员发现,两个平面的鞭毛特征呈现出各向异性,也就是说,精子尾部(鞭毛)的摆动并非一一对称,因而不会形成完美对称的标准螺旋转动。

而更加巧妙的是,研究人员发现,b 平面的波能够让鞭毛朝一侧逆时针摆动,属于行波,而 z 平面上的属于驻波。行波让精子能往一侧转动,驻波给与了鞭毛均匀旋转的能力,保证每一次转动力能分散到每一个平面。

两种波形并不对称和一致,但它们相互合作才能推动精子往前行进。

正如 Gadelha 博士所说:“我们的发现表明,精子已经找到了一种游动模式来平衡它们的单向摆动,并且通过在非对称性中创造对称性,巧妙地解决了微观尺度的数学难题。”

“然而,人类精子的旋转像水獭一样,非常复杂:在精子尾巴围绕游动方向旋转的同时,精子头也在旋转。这在物理学上被称为进动,就像地球和火星的轨道绕着太阳进动一样(天文学中称为岁差)。”

精子游动:趣味还是科研?

看到这里,可能有人会问了:现在我们知道了精子确切的游动方式,又有什么价值呢?

实际上,这项发现开创性地结合了 3D 显微镜技术和数学,可能为揭开人类生殖的秘密带来新的希望。

Darszon 博士说,“这项发现将彻底改变我们对精子活力及其对自然受精影响的理解。对于女性生殖道内复杂的环境,以及精子游动如何影响受精,我们仍然知之甚少。这些新工具使我们看到了精子具有的惊人能力。”

论文作者之一的 Corkidi 博士也说道:“这真是令人难以置信的惊喜,我们相信先进的 3D 显微镜技术将揭示自然界中更多的秘密。有朝一日,这项技术将可用于临床中心。”

最后,让我们一起欣赏下精子的游动视频吧!

资料来源:

https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168

https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/imaging/spermatowhoaa-human-sperm-dont-swim-like-we-thought

https://www.newscientist.com/article/2250415-sperm-have-a-weird-way-of-swimming-and-we-only-noticed-after-300-years/

https://eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uob-hhs072420.php

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