被誤會瞭三百年的“小蝌蚪”:這才是精子真正的遊動方式 | 多圖預警

【導讀】300年前,列文虎克在顯微鏡下觀察到2D精子遊動圖像,使得人們一直以來都以為精子靠其尾部左右擺動著前行。然而一項新的研究通過3D顯微鏡卻發現,精子真正的遊動方式,應是呈螺旋波形滾動前進。文末有視頻哦。

我們知道,每個人都從受精卵發育而來:幾千萬個形似蝌蚪的精子,一出生就註定踏入賽道,爭先恐後的當那個“最優解”,而後到達“終點”、獲得獎賞—與卵細胞結合,孕育出生命的奇跡。然而,在這一看似屬於“常識”的過程中,卻有一個長期被人們誤解的奇怪知識,那就是—萬員賽跑時,精子究竟是如何向前遊動的?讓我猜一猜,你腦海裡浮現的畫面是不是這樣的?

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近日,一項發表在《科學進展》(Science Advances)雜志上的研究打破瞭關於精子“遊動”的普遍觀點,認為小蝌蚪們前進時,並非靠對稱性的二維擺動(如圖a),而是不對稱的螺旋式三維前進(如圖b)!

圖a 海鰻遊泳時的二維擺動

圖b 海獺遊泳時的三維旋轉

從 2D 到 3D:跨越三個世紀的精子研究

300 多年以來,科學傢一直認為人類精子通過左右對稱的方式擺動尾巴(鞭毛)來遊泳。但其實,這一結論並不正確,因為我們一直在用 2D 顯微鏡觀察它們。

1677 年,荷蘭人安東·范·列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)在顯微鏡下首次觀察到人類精子活細胞(其實是列文虎克本人新鮮出爐的精子)。科學傢後來稱它們為“蛇狀運動,像水中的鰻魚”,而且這種觀點一直持續到現在,甚至成為“常識”。

然而此次,由佈裡斯托大學等組成的研究團隊,使用最先進的 3D 顯微鏡和數學技術,率先重建瞭精子尾部的 3D 真實運動。他們使用瞭一架每秒拍攝超過 55000 幀的高速相機,配合帶有壓電裝置的顯微鏡載物臺,以極高的速率上下移動樣品,由此拍攝瞭精子自由遊動的 3D 圖像。

由此,研究人員得出結論:精子遊動時,其頭部並非固定不動,而是會轉圈(如同地球自轉),其尾部(鞭毛)也並非在同一水平面上擺動,而是如同螺絲那樣旋轉著前進。

論文作者之一、佈裡斯托大學工程數學系 Polymaths 實驗室的負責人、生育數學專傢Gadelha 博士說:“用 2D 顯微鏡從上方觀察時,精子快速、規律的旋轉會導致一種錯覺,讓我們覺得精子的尾巴似乎具有左右對稱的運動,就像‘水中的鰻魚’。”

但是,Gadelha 說:“想象一下你隻能用一條腿遊泳—,在沒有手臂幫助平衡身體時,你一定會繞著圈子遊,但是如果你遊泳時從一邊旋轉到另一邊,你就可以平衡劃水的不對稱性。”

聰明的精子:轉著轉著就前進瞭

現在我們知道,精子會繞著圈遊動,但問題是,如果是絕對的對稱繞圈,精子隻能在原地打轉,不可能快速向前移動。但人類精子似乎很聰明,它們已經巧妙地找到瞭向前遊動的方法。為瞭揭示瞭精子邊轉圈邊前進的奧秘,Gadelha 領導的研究團隊首先利用(x,y,z)軸將精子的 3D 運動切分為兩個平面:z 平面和 b 平面。而後利用計算機輔助,記錄下不同平面下的運動波形。

通過分析這些波形,研究人員發現,兩個平面的鞭毛特征呈現出各向異性,也就是說,精子尾部(鞭毛)的擺動並非一一對稱,因而不會形成完美對稱的標準螺旋轉動。

而更加巧妙的是,研究人員發現,b 平面的波能夠讓鞭毛朝一側逆時針擺動,屬於行波,而 z 平面上的屬於駐波。行波讓精子能往一側轉動,駐波給與瞭鞭毛均勻旋轉的能力,保證每一次轉動力能分散到每一個平面。

兩種波形並不對稱和一致,但它們相互合作才能推動精子往前行進。正如 Gadelha 博士所說:“我們的發現表明,精子已經找到瞭一種遊動模式來平衡它們的單向擺動,並且通過在非對稱性中創造對稱性,巧妙地解決瞭微觀尺度的數學難題。”“然而,人類精子的旋轉像水獺一樣,非常復雜:在精子尾巴圍繞遊動方向旋轉的同時,精子頭也在旋轉。這在物理學上被稱為進動,就像地球和火星的軌道繞著太陽進動一樣(天文學中稱為歲差)。”

精子遊動:趣味還是科研?

看到這裡,可能有人會問瞭:現在我們知道瞭精子確切的遊動方式,又有什麼價值呢?

實際上,這項發現開創性地結合瞭 3D 顯微鏡技術和數學,可能為揭開人類生殖的秘密帶來新的希望。

Darszon 博士說,“這項發現將徹底改變我們對精子活力及其對自然受精影響的理解。對於女性生殖道內復雜的環境,以及精子遊動如何影響受精,我們仍然知之甚少。這些新工具使我們看到瞭精子具有的驚人能力。”

論文作者之一的 Corkidi 博士也說道:“這真是令人難以置信的驚喜,我們相信先進的 3D 顯微鏡技術將揭示自然界中更多的秘密。有朝一日,這項技術將可用於臨床中心。”

最後,讓我們一起欣賞下精子的遊動視頻吧!

資料來源:

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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