来源:科研圈

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  来源 University of Bristol

  翻译 贾楠

  编辑 戚译引

  作为最早使用显微镜的人之一,列文虎克描述人类的精子“具有尾巴,蛇形前进,就像水中的鳗鱼”。三百多年后,科学家发现这是一种视错觉。

  布里斯托大学的 Hermes Gadelha 博士、墨西哥国立自治大学的 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《科学进展》杂志上,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。

  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。”

  “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’,这是列文虎克在 17 世纪的描述。”

过去认为的精子游动方式,或者说用显微镜俯视观察看到的精子游动方式。图片来源:polymaths-lab.com

  “但是,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。”Gadelha 博士说。

  “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)。”

使用高速摄像机观察得到的精子真实的运动方式。图片来源:polymaths-lab.com

  如今,在诊所和研究中使用的计算机辅助精液分析系统仍使用 2D 视图观察精子运动。因此,他们在评估精液质量时会像列文虎克使用第一台显微镜观察时一样,误以为精子的运动是对称的。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。

  Gadelha 博士补充说:“由于一半以上的不孕不育是由男性因素引起的,因此了解人类的精子尾巴为未来开发诊断工具、识别不健康的精子打下了基础。”他此前的工作揭示了精子弯曲的生物力学,和描述精子向前运动特征的精确的节律趋势。

精子真正的前进方式更像是旋转的开瓶器。图片来源:polymaths-lab.com

  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。”

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