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精子愚弄了350年的科学家:他们旋转,不要游泳
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精子愚弄了350年的科学家:他们旋转,不要游泳

特色图片:一项突破性的发现发现精子根本不是“游泳者”。图片:quapan/Flickr, CC BY 2.0

精子对于在包括人类的地球上几乎所有生物体的施肥至关重要。繁殖,人类精子必须游泳相当于攀登珠穆朗玛峰找到鸡蛋。他们简单地完成了这次史诗般的旅程摆动他们的尾巴,移动液体前进。虽然超过5000万个精子将无法到达鸡蛋 - 相当于超过六倍整个人口在伦敦或纽约,只需要一个精子就能使一个卵子受精,而这个卵子最终将成为人类。

精子于1677年首次发现 - 但大致花了200年在科学家同意人类如何实际形成之前。“普遍主义者”认为,每个精子都含有一个微小的小型化的人 -矮人.他们认为鸡蛋只是为精子提供了生长的地方。

另一方面,“表观遗传学家”认为,男性和女性都对新生命的形成做出了贡献,18世纪的发现显示了更多这个理论的证据.尽管科学家们现在更好地理解了精子在生殖过程中的作用,我们的最新研究发现精子实际上这一直愚弄科学家。

第一个显微镜之一是在17世纪开发的安东尼·范·列文虎克.他用一团熔化的玻璃小心地磨碎和抛光,创造出一个强大的镜头。其中一些可以把一个物体放大270倍。值得注意的是,一个更好的镜头并没有被创造出来超过200年

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Leeuwenhoek的镜头使他成为微观世界的第一家探险家,能够看到包括细菌的物体,我们的细胞内部 - 和精子.当列文虎克第一次发现精子时,他把它描述为生物蛛丝它有一条“尾巴,当游泳时,尾巴会像蛇一样摆动,就像水中的鳗鱼一样”。

引人注目的是,从那以后,我们对精子如何游动的看法并没有改变。今天,任何使用现代显微镜的人都可以进行同样的观察:精子通过左右摆动尾巴向前游动。但正如我们的最新研究显示实际上,在过去的350年里,我们对精子如何游动的看法一直是错误的。

使用最先进的3D显微镜技术,我们的研究团队来自英国和墨西哥,能够数学重建快速运动精子尾巴3d。精子的尺寸不仅使他们难以研究 - 它的尾巴只测量一半的头发的宽度 - 它们也很快。

他们的尾巴的鞭状运动能够击败超过20个游泳中风不到一秒钟.我们需要一个超快速的相机,能够在安装在快速振荡阶段的一秒钟内记录超过55,000张照片,以便以令人难以置信的高速率向上和向下移动样品 - 有效地扫描精子尾部,同时在3D中自由游泳。

我们发现的惊讶了。事实上,我们发现精子尾巴是一侧的浪潮,只有摇摆。虽然这应该意味着精子的单面冲程将在圈子中游泳,精子已经找到了一种聪明的方式来调整和游泳前锋:他们游泳时,他们滚动,就像奥特尔通过水的拔塞螺钉就会滚动。通过这种方式,Wonky单面笔划随着精子卷允许它前进。

当用2D显微镜从上面观察精子时,精子快速且高度同步的旋转会产生错觉——尾巴似乎在左右移动。然而,这一发现表明,精子已经发展出一种游泳技术来弥补它们的不平衡。这样一来,他们也巧妙地解决了一个数学难题:在不对称中创造对称。

精子体与尾部旋转在游泳方向上的同时旋转。通过旋转本身旋转,将精子“钻”像旋转顶部一样旋转顶部,同时其倾斜的轴线围绕中心旋转。这在物理学中已知旋进,就像分点岁差在我们的星球中。

计算机辅助精液分析(CASA)系统目前在诊所和研究中使用,仍然使用精子运动的2D视图。就像列文虎克的第一个显微镜一样,他们在评估精液质量时仍然倾向于这种对称错觉。对称性(或对称性的缺乏)是一种识别特征影响生育

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精子尾巴的科学故事遵循每个其他研究领域的路线:理解精子运动的进步高度依赖于显微镜检查,记录和现在,数学建模和数据分析技术的发展。今天开发的3D显微镜技术几乎肯定会改变我们将来分析精液的方式。

这种最新发现,其新颖使用3D显微镜技术与数学相结合,可以为解锁人类繁殖的秘密提供新鲜的希望。超过一半的不孕症男性因素,了解人体精子尾巴是未来识别不健康精子的诊断工具的基础,提高生育能力
谈话
HermesGadêlha是布里斯托大学应用数学和数据建模的高级讲师

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