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人类精子究竟是如何游动的?3D镜像显示其不对称地旋转前进 科学家们弄错了300多年

2020-08-03 19:54 前瞻网   

 

 

来自布里斯托大学(University of Bristol)和墨西哥国立自治大学(Universidad Nacional Autonoma de Mexico)的研究人员在生育科学方面的最新研究,打破了人们普遍接受的关于精子像蝌蚪一样“游动”的观点。他们采用最先进的3D显微镜和数学技术,率先重建了精子尾部的3D真实运动。

人类精子究竟是如何游动的?3D镜像显示其不对称地旋转前进 科学家们弄错了300多年

300多年前,安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)用一种最早的显微镜进行观察,把人类精子描述为“有一条尾巴,在游泳时尾巴会像蛇一样摆动,就像水中的鳗鱼一样”。如今,科学家们揭示的结果显示——这是一种视错觉。

布里斯托大学的Hermes Gadelha博士、Gabriel Corkidi博士和墨西哥国立自治大学的Alberto Darszon博士利用最先进的3D显微镜和数学技术,率先用3D技术重建了精子尾部的真实运动。结果显示:精子并不是对称地左右摆动尾巴游泳,而是不对称地旋转前进。

他们使用了一架每秒能够记录超过55000帧的高速照相机,以及一个带有压电装置的显微镜载物台,以令人难以置信的高速率上下移动样本,他们能够在3D中扫描自由游动的精子。

这项突破性的研究发表在发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上,它揭示了精子的尾巴实际上是摇摇摆摆晃动的,而且只在一侧摆动。虽然这应该意味着精子的单侧划水会让它绕圈游动,但精子已经找到了一种聪明的方式来适应并向前游动。

“人类的精子在游动时会同时滚动,就像在水里顽皮的水獭卷曲自己的身体并螺旋前进,这能够平衡它们的单边前进的情况,从而向前游动。”布里斯托尔学者工程数学实验室主管和生育学数学专家Gadelha博士表示。

用2D显微镜从上面看,精子快速且高度同步的旋转会产生一种错觉——它的尾巴似乎有一个左右对称的运动,就像列文虎克在17世纪描述的“水中的鳗鱼”。

但是,研究人员们的发现表明,精子已经发展出一种游泳技术来弥补它们的不对称,并通过这样做巧妙地解决了微观层面上的一个数学难题:通过在不对称中创造对称。

人类精子实现像水獭一样的灵活旋转是复杂的:精子头部往一侧摆动旋转的同时,精子尾部绕着游泳方向旋转。这在物理学上被称为旋进(precession),很像地球和火星绕太阳运行的轨道旋进。

人类精子究竟是如何游动的?3D镜像显示其不对称地旋转前进 科学家们弄错了300多年

图2:人精子鞭毛(尾巴)三维搏动图。

研究一共观测了30条自由游动的精子,从头部正面的角度看,其中28个精子细胞(头部)都会沿着一根轴进行逆时针转动,鞭毛(尾巴)会以游动方向为轴进行同步旋转。

人类精子究竟是如何游动的?3D镜像显示其不对称地旋转前进 科学家们弄错了300多年

图3:人类精子的三维各向异性和非对称跳动。

如今在诊所和研究中使用的计算机辅助精液分析系统,仍然使用2D视图来观察精子的运动。因此,就像列文虎克的第一台显微镜一样,在评估精液质量时,它们仍然容易产生这种对称错觉。这一发现,连同它对3D显微镜技术与数学结合的新颖应用,可能为解开人类生殖的秘密提供了新的希望。

Gadelha博士补充道:“超过一半的不孕不育是由男性因素造成的,理解人类精子的尾部,是开发未来诊断工具以识别不健康精子的基础。”Gadelha博士之前的工作揭示了精子弯曲的生物力学和精确的节律趋势,这是精子如何向前移动的特征。

Gabriel Corkidi博士和Alberto Darszon博士率先使用3D显微镜观察精子游动。“这是一个难以置信的惊喜,我们相信我们最先进的3D显微镜将揭开更多隐藏在自然界中的秘密。”总有一天这项技术会应用到临床中心。

“这一发现将彻底改变我们对精子活力及其对自然受精的影响的理解。”Alberto Darszon博士说。“对于雌性生殖道内复杂的环境以及游动的精子如何撞击受精卵,我们知之甚少。这些新工具让我们看到了精子所具有的惊人能力。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:https://phys.org/news/2020-06-human-eggs-men-sperm.htmlhttps://scitechdaily.com/how-human-sperm-fooled-scientists-for-350-years/

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

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

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责任编辑: 3976DBC

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