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【菠萝科学奖】精子到底怎么游?

精子是怎样进入阴道的?精子能游多快

冷月如霜 发表于  2012-10-06 15:40

2016菠萝发明奖授予加州大学洛杉矶分校的苏亭伟等人,以表彰他们在人类传宗接代领域里做出的伟大贡献。

众所周知,在细胞的尺度上,精子可以说是游泳冠军,对科学家来说,粗略观察精子游泳一点都不难,但想仔细地研究精子游动的细节却不是件容易的事。因为精子像闪电侠那样神龙见首不见尾——如果不算尾巴的话,人的精子身长只有4-5微米,必须要用高倍数的显微镜放大了看才能看清它的模样;但精子先生每秒却可以移动几十倍于自身体长的距离,高倍的镜头压根跟不上精子先生的速度,更别说分析它运动的姿态了。

难道我们只能永远雾里看花地看精子先生吗?科学家们自然不会答应。发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一篇论文里 ,加州大学洛杉矶分校的苏亭伟等三人发明了一种全息影像技术,终于成功弄清了精子先生的移动方式。

这种技术摒弃了传统的显微镜镜头,而是将含有精子的样品放置在一块小芯片上。在芯片的正上方,一个红色的LED灯将光照向精子,并在芯片上留下每个精子水平移动时头部的阴影。与此同时,另一个蓝色的LED灯则以不同的角度照向精子,使精子垂直移动时产生的阴影也得以被芯片记录 (图1)。

图1. 左图为全息影像系统的示意图,右图为重组的1575个精子运动的3D模型图。不同的颜色代表同一个精子头部处于这个位置时的时间。

图1. 左图为全息影像系统的示意图,右图为重组的1575个精子运动的3D模型图。不同的颜色代表同一个精子头部处于这个位置时的时间。

苏亭伟等发现精子先生们虽然都是摇动着小尾巴前进,但前进的具体形式却又可被细分为4种。其中大约有超过90%的精子采取的是普通前进方式:这些精子以极快的速度前进(每秒140微米,近自己身长的40倍)。在前进时,它们也会偶尔像醉汉一样左右摇晃。比较文艺的精子先生则能走成一个非常完美的螺旋型,但文艺毕竟是稀缺货,这类精子先生也只占了全体精子的4%-5%左右。在剩下的精子先生中,有一些走得非常狂野,喜欢横冲直撞;而另一些则东施效颦,走法介于文艺型和狂野型之间,不伦不类 (图2)。

图2. 精子四种不同的运动方式。小图为顶视图。

图2. 精子四种不同的运动方式。小图为顶视图。

虽然我们成功观察到了精子先生游泳的姿态,但却留下了更多的问题:为什么精子先生会采用4种不同的走路方式?这些方式背后的机理何在?对于精子先生的活性又有什么影响?想要读懂精子先生仍然需要更多的努力。不过目前学界对这项不用显微镜的观察技术也很是兴奋,研究精子先生的无疑多了一项利器,需要看清其他微观物体的实验室也有了新的研究思路。“下一步?我们要看清精子先生的小尾巴!”苏亭伟的导师如是说。

作者自己的PS:关于精子先生,还有很多有趣的事,比如精子先生喜欢 铃兰的味道喜欢三文鱼讨厌超声波 ,感兴趣的朋友不妨一阅。

编辑的PS:看了这篇文章,脑中突然浮现出这样一幅画面,实验室里,老板撸起袖子一脸兴奋地宣布:仪器调试就绪,那个谁,给你1分钟时间上小黑屋整点新鲜的出来趁热准备上样了!

参考资料:

High-throughput lensfree 3D tracking of human sperms reveals rare statistics of helical trajectories Su, T.-W., Xue, L. & Ozcan, A. Proc. Natl Acad. Sci USA, 2012

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