科学家用《星球大战》创意来演绎精子和卵子结合过程

谁说的等待 · 发表于: 2017-10-31 08:42:00

美国科学家用《星球大战》的创意制作了一个精子与卵子结合的科学视频
　　北京时间10月31日消息，据国外媒体报道，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》（The Beginning），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（Donald Ingber）和同事查尔斯·莱利（Charles Reilly）的作品，后者曾与“公园路后期制作公司”（Park Road Post）的电影导演彼得·杰克逊（Peter Jackson）合作过。
　　“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》（ACS Nano）期刊上。

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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。

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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。 ●

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