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IT|精子游起来并不像“小蝌蚪” 三百年来科学家都看错了

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 。”
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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） 。”
IT|精子游起来并不像“小蝌蚪” 三百年来科学家都看错了
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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 。
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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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