科学家会玩:精子卵子上演“星球大战”
  • 任天
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  • 2017年10月31日 15:57
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人类生殖细胞的结合过程很难视觉化,但一群科学家利用《星球大战》的创意,制作了一段富有趣味性和知识性的视频,同时意外地揭示出一个新的发现。

这段时长3分钟的视频名为《人之初》(TheBeginning),是美国韦斯生物启发工程研究所创始人兼主管唐纳德·因格贝尔(DonaldIngber)和同事查尔斯·莱利(CharlesReilly)的作品,后者曾与“公园路后期制作公司”(ParkRoadPost)的电影导演彼得·杰克逊(PeterJackson)合作过。

科学家会玩:精子卵子上演“星球大战”

“我觉得科学和公众之间存在巨大的鸿沟,因为在学校里,科学被描述为机械式的、需要死记硬背的东西,而就定义而言,如果你能记忆它,那它就不是科学,”因格贝尔在声明中说,“科学是对未知的追求。我们有责任与大众接触,向他们传达探索和发现的乐趣。幸运的是,电影工业已经在这方面做了很出色的工作。”

于是,通过科学与电影艺术的结合,因格贝尔和莱利将自然奥秘以一种全新的方式呈现在我们面前,他们甚至用全新的视角揭示了其中一个分子过程的假说。这段视频及相关的新发现发表在《ACS纳米》(ACSNano)期刊上。

科学家会玩:精子卵子上演“星球大战”
视频中最引人注目的是对精子鞭毛轴丝(axoneme)的描绘。鞭毛轴丝是一个长管状结构,由9对微管以圆柱形包围1对微管组成,一直延伸到精子的整个尾部

在视频中,因格贝尔和莱利选择了太空科幻电影《星球大战》的创意,大批摆动尾巴、奋力游向卵子的精子像极了飞向死星的X翼战机。这简直就是一场“精子大战”,数百万精子展开激烈竞争,角逐进入卵子的机会。

制作这样的科学视频,关键在于保持趣味性和科学性。精子尾巴的摆动模式十分复杂,需要建立从单个原子到细胞水平的多层生物学模型。

打个比方,这就像一开始呈现的是帝国大厦的全貌,然后逐渐放大,最终看清维持这座建筑物稳定的单个螺栓。

“其实创造一个准确的生物模型,和用计算机在电影中描绘一个可信度高的生命是很相似的,你要不断地检查并修改你的虚拟作品,直到它与实际物体的外形和移动方式相符,”莱利说,“不过,从生物学角度,这些模拟还必须与已有的科学数据,以及此前已经被实验证实的理论模型吻合。”

为了制作这个视频,研究者将基于物理学的电影动画软件和分子动态模拟软件结合起来,还必须确保不同尺度上的运动准确无误。

科学家会玩:精子卵子上演“星球大战”
在鞭毛轴丝内,一排排动力蛋白沿着微管同步移动,就像水手们同时划桨,最终使精子能够向前游动

视频中最引人注目的是对精子鞭毛轴丝(axoneme)的描绘。鞭毛轴丝是一个长管状结构,由9对微管以圆柱形包围1对微管组成,一直延伸到精子的整个尾部。

视频显示了鞭毛轴丝如何通过弯曲和拉伸为精子尾部提供动力。再更进一步观察,可以看到鞭毛轴丝具有被称为“动力蛋白”(dynein)的蛋白质。

动力蛋白是一种马达蛋白,能将三磷酸腺苷(ATP)中高能磷酸键的化学能转化为机械能。在鞭毛轴丝内,一排排动力蛋白沿着微管同步移动,就像水手们同时划桨,最终使精子能够向前游动。

正是在这里,研究者发现了一个新的分子过程。在创作分子马达的三维动态模型时,研究者发现,当力量施加在动力蛋白分子的结合位置——化学键断裂和能量释放的地方——时,动力蛋白分子中一个特殊的铰链区域也会同步移动。此前科学家还从未观察到这一现象。

这段视频也再一次提醒我们,生物系统具有高度的机械水平,甚至可以一直细化到原子层次。

这段视频发表在纳米技术期刊《ACS纳米》上并非偶然;或许在不久的将来,科学家就能在这一尺度上操纵甚至打造出分子机器。


文章出处:新浪科技

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