研究發現粘彈性液體會使精子成群遊動

2016年03月21日 08:07 新浪科技


　　

　　牛精子外形與人類精子相似，具有簡單的棒狀頭部

　　

　　研究團隊正考慮用精子來研究更普遍意義上的集體運動特徵

　　新浪科技訊 北京時間3月21日消息，物理學家通過對精子遊動方式的研究發現，當精子周圍的液體變得具有「粘彈性」時，它們會集結成緊密的群體。

　　粘彈性的液體不僅粘稠，而且具有彈性和延展性，在受到擾動的時候會彈回原先狀態。科學家觀察了牛精子在不同液體中的遊動情況，發現正是這種粘彈性使精子聚集成群。如果周圍液體粘稠而不具有彈性，精子則傾向於單獨遊動。

　　在近期於美國巴爾的摩舉行的「美國物理學會三月會議」上，研究者報告了他們的初步發現。粘彈性液體——如鼻粘液、橡皮泥和融化的馬蘇里拉乳酪等——在生物學中十分常見。北卡羅來納州立農業技術大學的Chih-kuan Tung博士解釋稱，在生殖道里發現的粘液也屬於粘彈性液體。他說：「我們談論的已經不僅僅是滿足好奇心的物理學問題，而是它們必須要克服的真實環境。」

　　儘管精子要經過殘酷的競爭才能到達卵細胞並使其受精，但遊動精子之間也存在合作行為，並且在好幾個物種中都有發現。一些嚙齒類動物的精子甚至具有鉤子形狀的頭部，能幫助它們連接在一起形成精子「列車」。不過，Tung博士及其同事感興趣的是，是什麼因素促使自由遊動的精子集結成群或各自分散。

　　「如果你仔細觀察，你會看到這是非常動態的過程，」Tung博士解釋道，「會有新的細胞加入到群體中，同時也有細胞離開群體。」他的團隊甚至將這種集結和分散的統計學結果比喻成液體和氣體界面間的分子行為。 集結成群的精子更像液體中相互滑行的分子，而自由遊動的精子則更像氣體分子。「我們試圖利用液-氣相的共存來理解這一過程，」Tung博士說道。

　　研究者將牛精子放到不同的液體中，加入數量不等的彈性聚合物。結果表明，液體濃度對單獨遊動精子的行為有重要影響。Tung博士說：「聚合物的濃度越高，液體粘彈性就越高，你就會看到更大的群體。」

　　有趣的是，如果研究者加入一種使液體變得更加粘稠——更加富有粘性——而不是更有彈性時，就不會形成同樣緊密、協調的精子群體。「偶爾它們互相碰撞，你會暫時看到一個群體出現，而後又非常快地溶解。」

　　研究團隊還不清楚為什麼液體的粘彈性對精子如此重要；這可能與精子尾部在液體中移動的方式有關，組成群體的精子大部分——但不是全部——尾部都是同步移動的。研究者正利用高速攝像機對其中液體流動的模式進行更深入的研究。

　　Tung博士還提出，如果延展性和彈性較高的液體確實對精子遊動有重要作用，那麼可以考慮將其運用到試管嬰兒的實施過程中。「目前，我們只是將精子和卵子放在一個試管里，希望它們找到對方，」Tung說道。他還補充稱，有一個改進試管嬰兒技術的提議就是給予精子一段包含障礙的過程，更加接近自然狀態下的情況。

　　Tung博士的研究目前還只是集中在「該問題的基礎科學」上，但他和同事們的思路十分開闊。他們認為自己找到了一個很有價值的研究集體運動模式的工具——主要是因為精子的構造非常簡單。

　　「當你思考生物學中的群體動態時，更加顯而易見的選擇可能是觀察動物，」Tung說道。但是，鳥類和魚類的巨大群體由非常複雜、多變的生物組成。「它們四處查看，不斷思考，然後再進行移動。這種思考使物理學家很難進行模擬，」Tung說，精子則相對整齊劃一，而且不具備思考能力，「是一個能更好理解群體內在物理學特性的系統。」(任天)