精子遊起來並不像“小蝌蚪”,三百年來科學家都看錯了
2020年08月02日09:10

  來源:科研圈

圖片來源:Pixabay
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  來源 University of Bristol

  翻譯 賈楠

  編輯 戚譯引

  作為最早使用顯微鏡的人之一,列文虎克描述人類的精子“具有尾巴,蛇形前進,就像水中的鰻魚”。三百多年後,科學家發現這是一種視錯覺。

  布里斯託大學的 Hermes Gadelha 博士、墨西哥國立自治大學的 Gabriel Corkidi 博士和 Alberto Darszon 博士採用最先進的 3D 顯微鏡和數學技術,率先重建了精子尾部的 3D 真實運動。

  他們使用了一架每秒拍攝超過 55 000 幀的高速相機,配合帶有壓電裝置的顯微鏡載物台,以極高的速率上下移動樣品,拍攝了精子自由遊動的 3D 圖像。

  這項研究發表在《科學進展》雜誌上,揭示了精子的尾巴實際上是擺動的,並且只朝一側擺動。側向擺動似乎意味著精子只能繞圈遊動,但精子已經巧妙地適應了這種方式,並找到了向前遊動的方法。

  論文作者之一 Gadelha 博士也是布里斯託大學工程數學系 Polymaths 實驗室的負責人、生育數學專家,他說:“人類的精子在遊動時會同時滾動,就像在水裡嬉戲的水獺一樣螺旋前進,這能夠平衡它們的單邊前進的情況,從而向前遊動。”

  “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’,這是列文虎克在 17 世紀的描述。”

過去認為的精子遊動方式,或者說用顯微鏡俯視觀察看到的精子遊動方式。圖片來源:polymaths-lab.com
過去認為的精子遊動方式,或者說用顯微鏡俯視觀察看到的精子遊動方式。圖片來源:polymaths-lab.com

  “但是,我們的發現表明,精子已經找到了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,巧妙地解決了微觀尺度的數學難題。”Gadelha 博士說。

  “然而,人類精子的旋轉像水獺一樣,非常複雜: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)。”

使用高速攝像機觀察得到的精子真實的運動方式。圖片來源:polymaths-lab.com
使用高速攝像機觀察得到的精子真實的運動方式。圖片來源:polymaths-lab.com

  如今,在診所和研究中使用的計算機輔助精液分析系統仍使用 2D 視圖觀察精子運動。因此,他們在評估精液質量時會像列文虎克使用第一台顯微鏡觀察時一樣,誤以為精子的運動是對稱的。這項發現開創性地結合了 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。

  Gadelha 博士補充說:“由於一半以上的不孕不育是由男性因素引起的,因此瞭解人類的精子尾巴為未來開發診斷工具、識別不健康的精子打下了基礎。”他此前的工作揭示了精子彎曲的生物力學,和描述精子向前運動特徵的精確的節律趨勢。

精子真正的前進方式更像是旋轉的開瓶器。圖片來源:polymaths-lab.com
精子真正的前進方式更像是旋轉的開瓶器。圖片來源:polymaths-lab.com

  Corkidi 博士和 Darszon 博士開創了這項用於觀察精子遊動的 3D 顯微鏡技術。Corkidi 博士說:“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。”

  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。對於女性生殖道內複雜的環境,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了精子具有的驚人能力。”

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