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黏弹性液体会使精子成群游动
物理学家通过对精子游动方式的研究发现,当精子周围的液体变得具有“粘弹性”时,它们会集结成紧密的群体.粘弹性的液体不仅粘稠,而且具有弹性和延展性,在受到扰动的时候会弹回原先状态.科学家观察了牛精子在不同液体中的游动情况,发现正是这种粘弹性使精子聚集成群.如果周围液体粘稠而不具有弹性,精子则倾向于单独游动.在美国巴尔的摩举行的“美国物理学会三月会议”上,研究者报告了他们的初步发现.粘弹性液体——如鼻粘液、橡皮泥和融化的马苏里拉奶酪等——在生物学中十分常见.北卡罗来纳州立农业技术大学的Chih-kuan Tung博士解释称,“在生殖道里发现的粘液也属于粘弹性液体.我们谈论的已经不仅仅是满足好奇心的物理学问题,而是它们必须要克服的真实环境.”
尽管精子要经过残酷的竞争才能到达卵细胞并使其受精,但游动精子之间也存在合作行为,并且在好几个物种中都有发现.一些啮齿类动物的精子甚至具有钩子形状的头部,能帮助它们连接在一起形成精子“列车”.不过令Tung博士及其同事感兴趣的是,是什么因素促使自由游动的精子集结成群或各自分散.他的团队甚至将这种集结和分散的统计学结果比喻成液体和气体界面间的分子行为.集结成群的精子更像液体中相互滑行的分子,而自由游动的精子则更像气体分子.Tung博士解释道,“如果你仔细观察,你会看到这是非常动态的过程,会有新的细胞加入群体中,同时也有细胞离开群体.我们试图利用液-气相的共存来理解这一过程.”
研究者将牛精子放到不同的液体中,加入数量不等的弹性聚合物.结果表明,液体浓度对单独游动精子的行为有重要影响.但是有趣的是,当研究者加入一种使液体变得更加粘稠、更加富有粘性——而不是更有弹性时,就不会形成同样紧密、协调的精子群体.Tung博士说：“聚合物的浓度越高,液体粘弹性就越高,你就会看到更大的群体.偶尔它们互相碰撞,你会暂时看到一个群体出现,而后又非常快地溶解.”目前,研究团队还不清楚为什么液体的粘弹性对精子如此重要.这可能与精子尾部在液体中移动的方式有关,组成群体的精子大部分——但不是全部——尾部都是同步移动的.此外,Tung博士还提出,如果延展性和弹性较高的液体确实对精子游动有重要作用,那么可以考虑将其运用到试管婴儿的实施过程中.Tung说道,“有一个改进试管婴儿技术的提议是给精子一段包含障碍的过程,这会更加接近自然状态下的情况.当前,我们只是将精子和卵子放在一个试管里,希望它们找到对方”.研究者利用高速摄像机对其中液体流动的模式进行更深入的研究.
Tung博士的研究目前还只是集中在“该问题的基础科学”上,但他和同事们认为找到了一个很有价值的研究集体运动模式的工具——主要是因为精子的构造非常简单.Tung说道：“当你思考生物学中的群体动态时,更加显而易见的选择可能是观察动物.鸟类和鱼类的巨大群体由非常复杂、多变的生物组成.但它们四处查看,不断思考,然后再进行移动.这种思考使物理学家很难进行模拟,精子则相对整齐划一,而且不具备思考能力,是一个能更好理解群体内在物理学特性的系统.”
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