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揭秘精子:并非像“小蝌蚪”左右摆动前进

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发表于 2020-8-9 11:48:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
人类精子是怎样游动的?三百多年来,科学家也可能被2D显微镜下的这类视野给欺骗。学界一直以为精子像蝌蚪或鳗鱼那样摆动尾巴前进。最近一项研究借助先进的高速摄影技术,发现这种印象其实是一种视错觉,精子的运动方式实际上要更加复杂:它们的尾巴朝向一侧摆动,头部旋转前进,平衡了尾部运动的不对称。被戏称为人类最早的浪漫“钻头”。

三百多年前的1677年,作为最早使用显微镜的人之一,列文虎克在显微镜下,看到精液中有一些运动着的“微生物”。他如此描述:

它们每一只都有一个钝的头,身体很长,拖着一条几乎几乎透明的尾巴。它们各自推动着自己前进,像一条蛇在移动,或者是一条泥鳅在水里游泳。

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1677年一个秋日的夜晚,列文虎克和妻子正Making love。他“高潮射精后不足几秒便立刻”跳起身来,带着精液样本直奔自己的显微镜。在显微镜下列文虎克看到“数以千计沙粒般大小的活体微型动物正在游动”。他并没有告知英国皇家学会他的妻子对这项惊人发现做何感想。
                             
一向高调发布研究成果的列文虎克,这次却选择低调行事。他提醒皇家学会这是他们的授意,而非他自己的本意。他还很反常地专门指出,这次实验样本是通过“正常夫妻性交”而非“不道德的自慰”获得的。除了这些预防措施,列文虎克在信中写道,他承认自己的观察可能会让人感到“恶心或伤风败俗”。他让皇家学会全权决定是公布还是销毁这次研究结果。

此后的数百年间,生物学家对精子的认识逐渐有了质的提升,从一开始精子头部自带着新生儿的荒诞想法,到后来确定其携带了一半遗传物质并且会与卵子结合,再到如今确定动力蛋白能够给精子尾巴提供动力,激素能影响精子活动性等各种分子机制。人类探索到了越来越多关于这种“微生物”的秘密。

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Antony van Leeuwenhoek 安东尼·凡·列文虎克(1632-1723)

尽管一些细胞和分子层面的知识在不断被刷新,但有一点,似乎绝大多数科学家都很少怀疑过,那就是最简单的形态学知识——精子能够通过摆动尾巴获得前进的动力,并且尾巴的对称性摆动方式类似于鳗鱼,也就是左右对称摆动前进。这一点,只要在显微镜下观察过精子的科学家都不会质疑。

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并且,由于2D显微镜下观察到人类精子游动时,尾部摆动产生的波形是对称的,科学家曾推测在理想化的3D条件下,精子尾部的运行轨迹产生的波形应该也是对称的,就像我们平时开葡萄酒瓶的开瓶器一样。

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过去科学家认为,3D条件下精子的游动应该是这种很对称的螺旋

布里斯托大学(University of Bristol)的 Hermes Gadelha 博士、墨西哥国立自治大学(Universidad Nacional Autonoma de Mexico)的 Gabriel Corkidi 博士和 Alberto Darszon 博士采用最先进的 3D 显微镜和数学技术,率先重建了精子尾部的 3D 真实运动。

他们使用了一架每秒拍摄超过 55 000 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,拍摄了精子自由游动的 3D 图像。

这项研究发表在Science Advances《科学进展》杂志上,题为“Human sperm uses asymmetric and anisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering”,研究揭示了精子的尾巴实际上是摆动的,并且只朝一侧摆动。侧向摆动似乎意味着精子只能绕圈游动,但精子已经巧妙地适应了这种方式,并找到了向前游动的方法。

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论文作者之一 Gadelha 博士也是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,他说:“人类的精子在游动时会同时滚动,就像在水里嬉戏的水獭一样螺旋前进,这能够平衡它们的单边前进的情况,从而向前游动。”

这一结果也刷新了人类过去的认知:人类精子不是像海鳗一样对称性地摆动鞭毛,而是像海獭一样的旋转式游动——头部往一侧摆动旋转,与此同时鞭毛也会跟着旋转,也就是一种旋进过程,而这个过程并不是2D看到的对称性游动。



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。(这里为什么要强调“自由游动”,因为现在的主流观察方式——拴菌实验会固定精子的鞭毛,这会导致精子头部和鞭毛无法转动,因此加剧了误解程度)



在3D条件下,科学家能通过多个平面来观测精子以及鞭毛的摆动方式和波形。根据(x,y,z)轴组成的多平面来看,鞭毛的转动在各平面产生的摆动特征都是各异的,例如在“b”平面和“z”平面上,鞭毛特征就明显不一样,显示出各向异性,也就是3D条件下,鞭毛的摆动并不是一一对称的,其在各个平面的表现并不一致,也不会形成完美对称的标准螺线转动。

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而之所以之前会误认为精子的摆动是对称的,就是2D观测时只能看到一个平面的信息,这种平面会给予观测者一种对称错觉。(见下图所示)

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示意图显示,2D观测下的一个平面会怎样误解精子的游动方式

Corkidi 博士和 Darszon 博士开创了这项用于观察精子游动的 3D 显微镜技术。Corkidi 博士说:“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。”

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。”


论文链接:
https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168
原文链接:
https://eurekalert.org/emb_releases/2020-07/uob-hhs072420.php


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