科學家用《星球大戰》創意來演繹精子和卵子結合過程

　　2017年10月31日 08:14 新浪科技

      

　　演繹精子和卵子的結合過程

　　

　　美國科學家用《星球大戰》的創意製作了一個精子與卵子結合的科學視頻

　　新浪科技訊 北京時間10月31日消息，據國外媒體報道，人類生殖細胞的結合過程很難視覺化，但一群科學家利用《星球大戰》的創意，製作了一段富有趣味性和知識性的視頻，同時意外地揭示出一個新的發現。

　　這段時長3分鐘的視頻名為《人之初》（The Beginning），是美國韋斯生物啟發工程研究所創始人兼主管唐納德·因格貝爾（Donald Ingber）和同事查爾斯·萊利（Charles Reilly）的作品，後者曾與「公園路後期製作公司」（Park Road Post）的電影導演彼得·傑克遜（Peter Jackson）合作過。

　　「我覺得科學和公眾之間存在巨大的鴻溝，因為在學校里，科學被描述為機械式的、需要死記硬背的東西，而就定義而言，如果你能記憶它，那它就不是科學，」因格貝爾在聲明中說，「科學是對未知的追求。我們有責任與大眾接觸，向他們傳達探索和發現的樂趣。幸運的是，電影工業已經在這方面做了很出色的工作。」

　　於是，通過科學與電影藝術的結合，因格貝爾和萊利將自然奧秘以一種全新的方式呈現在我們面前，他們甚至用全新的視角揭示了其中一個分子過程的假說。這段視頻及相關的新發現發表在《ACS納米》（ACS Nano）期刊上。

　　

　　視頻中最引人注目的是對精子鞭毛軸絲（axoneme）的描繪。鞭毛軸絲是一個長管狀結構，由9對微管以圓柱形包圍1對微管組成，一直延伸到精子的整個尾部。

　　在視頻中，因格貝爾和萊利選擇了太空科幻電影《星球大戰》的創意，大批擺動尾巴、奮力游向卵子的精子像極了飛向死星的X翼戰機。這簡直就是一場「精子大戰」，數百萬精子展開激烈競爭，角逐進入卵子的機會。

　　製作這樣的科學視頻，關鍵在於保持趣味性和科學性。精子尾巴的擺動模式十分複雜，需要建立從單個原子到細胞水平的多層生物學模型。打個比方，這就像一開始呈現的是帝國大廈的全貌，然後逐漸放大，最終看清維持這座建築物穩定的單個螺栓。

　　「其實創造一個準確的生物模型，和用計算機在電影中描繪一個可信度高的生命是很相似的，你要不斷地檢查並修改你的虛擬作品，直到它與實際物體的外形和移動方式相符，」萊利說，「不過，從生物學角度，這些模擬還必須與已有的科學數據，以及此前已經被實驗證實的理論模型吻合。」

　　為了製作這個視頻，研究者將基於物理學的電影動畫軟體和分子動態模擬軟體結合起來，還必須確保不同尺度上的運動準確無誤。

　　

　　在鞭毛軸絲內，一排排動力蛋白沿著微管同步移動，就像水手們同時划槳，最終使精子能夠向前遊動。

　　視頻中最引人注目的是對精子鞭毛軸絲（axoneme）的描繪。鞭毛軸絲是一個長管狀結構，由9對微管以圓柱形包圍1對微管組成，一直延伸到精子的整個尾部。視頻顯示了鞭毛軸絲如何通過彎曲和拉伸為精子尾部提供動力。再更進一步觀察，可以看到鞭毛軸絲具有被稱為「動力蛋白」（dynein）的蛋白質。動力蛋白是一種馬達蛋白，能將三磷酸腺苷（ATP）中高能磷酸鍵的化學能轉化為機械能。在鞭毛軸絲內，一排排動力蛋白沿著微管同步移動，就像水手們同時划槳，最終使精子能夠向前遊動。

　　正是在這裡，研究者發現了一個新的分子過程。在創作分子馬達的三維動態模型時，研究者發現，當力量施加在動力蛋白分子的結合位置——化學鍵斷裂和能量釋放的地方——時，動力蛋白分子中一個特殊的鉸鏈區域也會同步移動。此前科學家還從未觀察到這一現象。

　　這段視頻也再一次提醒我們，生物系統具有高度的機械水平，甚至可以一直細化到原子層次。這段視頻發表在納米技術期刊《ACS納米》上並非偶然；或許在不久的將來，科學家就能在這一尺度上操縱甚至打造出分子機器。（任天）