在我們傳統(tǒng)的認(rèn)知中，精子由接近圓形或棒形的頭部及柔軟的尾部組成，其中頭部用于儲(chǔ)存遺傳物質(zhì)，尾部通過(guò)旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)精子向前游動(dòng)。

　　最近，來(lái)自香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)魟魚精子的頭部呈特殊的螺旋狀，其與柔軟的尾部共同驅(qū)動(dòng)魟魚精子的游動(dòng)。在觀測(cè)和分析的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)揭示了魟魚精子在低雷諾數(shù)環(huán)境中的特殊推進(jìn)方式——異質(zhì)雙節(jié)螺旋推進(jìn)模型。這種異質(zhì)雙節(jié)螺旋推進(jìn)不僅為魟魚精子提供了多種粘度環(huán)境下的高適應(yīng)性，并且使其具有優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)線性度、雙向運(yùn)動(dòng)能力及高運(yùn)動(dòng)效率。

　　進(jìn)而，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有剛性螺旋頭和柔性螺旋尾組成的微型仿生游動(dòng)機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在相同的功率輸入下，雙節(jié)螺旋推進(jìn)的游動(dòng)機(jī)器人比傳統(tǒng)的單節(jié)螺旋游動(dòng)機(jī)器人具有更高的運(yùn)動(dòng)效率及更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。相關(guān)成果以《Self-adaptive and efficient propulsion of Ray sperms at different viscosities enabled by heterogeneous dual helixes（異質(zhì)雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)為魟魚精子在多種環(huán)境中帶來(lái)自適應(yīng)高效推進(jìn)）》為題，于近日發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊）》上。

　　▍魟魚精子的異質(zhì)雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)

魟魚又稱魔鬼魚，是鯊魚的近緣，出現(xiàn)于中生代的侏羅紀(jì)（約1.8億年～1.4億年前）。魟在分類上屬于軟骨魚類的亞目，其游動(dòng)時(shí)如波浪一樣擺動(dòng)胸鰭，如同在水中飛翔一樣，非常美麗。文章第一作者王盼冰博士說(shuō)道“我們通過(guò)多種顯微技術(shù)，包括光學(xué)顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡及共聚焦顯微鏡等對(duì)魟魚精子的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)地觀察及分析，明確了魟魚精子由包括剛性螺旋頭部、柔性螺旋尾部及中段的能量發(fā)動(dòng)機(jī)（線粒體）組成”。

數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，魟魚精子的運(yùn)動(dòng)直線性明顯高于牛、羊、馬等物種的精子。研究團(tuán)隊(duì)分析了大量魟魚精子的游動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在游動(dòng)過(guò)程中，魟魚精子的頭和尾以不同的旋轉(zhuǎn)速度和幅度向相同的方向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)其游動(dòng)建模，團(tuán)隊(duì)提出了名為“異質(zhì)雙節(jié)螺旋推進(jìn)（heterogeneous dual helixes, HDH）”的精子游動(dòng)模型。

　　圖1. 魟魚照片 (A)，魟魚精子的雙節(jié)螺旋推進(jìn)模型 (B)，熒光顯微鏡 (C)、掃描電子顯微鏡 (D)下觀察到的魟魚精子圖像。

▍異質(zhì)雙節(jié)螺旋推進(jìn)模型

為了更詳細(xì)地分析魟魚精子的這種特殊的雙螺旋推進(jìn)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)使用抗力理論對(duì)精子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了建模，并分析了頭部在精子前進(jìn)過(guò)程中的推進(jìn)作用。

大量的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，魟魚精子的螺旋頭部對(duì)于整個(gè)精子細(xì)胞可以貢獻(xiàn)大約 31% 的推進(jìn)力，革新了人們對(duì)于細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)認(rèn)知。同時(shí)，這種異質(zhì)雙節(jié)螺旋推進(jìn)機(jī)制也給魟魚精子帶來(lái)了更高的推進(jìn)效率。

與傳統(tǒng)只依靠尾巴產(chǎn)生推進(jìn)力的精子相比，螺旋狀的頭部可以有效地將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，使得魟魚精子的運(yùn)動(dòng)效率遠(yuǎn)高于其他僅由尾部驅(qū)動(dòng)的物種。研究人員對(duì)比了包括魟魚精子在內(nèi)的多個(gè)物種精子的前進(jìn)速度與轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）頻率的比值，發(fā)現(xiàn)公牛和小體鱘等物種的精子尾部每擺動(dòng)/旋轉(zhuǎn)一次僅分別可以前進(jìn)5.5微米及3.85微米，而魟魚精子尾部每旋轉(zhuǎn)一次則可前進(jìn)14.8微米，是其他物種的2.5倍以上，具有超高的運(yùn)動(dòng)效率。

▍異質(zhì)雙節(jié)螺旋推進(jìn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

研究人員還發(fā)現(xiàn)了魟魚精子獨(dú)特的異質(zhì)雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)能提供雙向游動(dòng)能力，而這種能力提高了精子在自然界中的運(yùn)動(dòng)能力，尤其是可以使他們?cè)谟龅秸系K時(shí)可以很好地避開。此外，這種異質(zhì)雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)也給予魟魚精子靈活可控的轉(zhuǎn)向能力。由于頭部和尾部均可以產(chǎn)生推進(jìn)力，那么當(dāng)頭尾之間的夾角變化時(shí)，身體會(huì)受到一個(gè)側(cè)向力的作用，使得精子能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

這種非傳統(tǒng)的推進(jìn)方式同時(shí)也為魟魚精子提供了對(duì)不同粘性環(huán)境的高度適應(yīng)性。精子在生殖系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)境粘度會(huì)發(fā)生變化，因此環(huán)境適應(yīng)性對(duì)精子來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。魟魚精子的頭部和尾部可以根據(jù)環(huán)境的粘度調(diào)整其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠保證魟魚精子在各種粘度的溶液中都能快速前進(jìn)，表現(xiàn)出很高的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)于自然繁殖等有積極作用。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了多個(gè)物種的精子在粘度環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境粘度增加50倍時(shí)，魟魚精子的運(yùn)動(dòng)速度僅下降約26%，而其他物種如牛等在環(huán)境粘度增至30倍時(shí)，其速度已下降62%，證明了魟魚精子的高環(huán)境適應(yīng)性。

這種獨(dú)特的雙螺旋推進(jìn)模型在運(yùn)動(dòng)線性度、靈活度、運(yùn)動(dòng)效率及環(huán)境適應(yīng)性等方面表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并給微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來(lái)了靈感。受魟魚精子啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)同樣具有剛性螺旋頭和柔性螺旋尾的仿生機(jī)器人。

在多種不同粘度環(huán)境中（溶液粘度值100~1600 mPa·s），當(dāng)輸入功率相同時(shí)，雙節(jié)螺旋推進(jìn)的仿生機(jī)器人均比傳統(tǒng)的單螺旋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度更快，證明了雙節(jié)螺旋仿生機(jī)器人在環(huán)境適應(yīng)性及運(yùn)動(dòng)效率方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，這類仿生游動(dòng)機(jī)器人尤其適用于粘度變化較大的環(huán)境，例如灘涂、淤泥等復(fù)雜環(huán)境。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，研究人員計(jì)劃在這種仿生機(jī)器人上搭載傳感及通訊設(shè)備，使其能夠進(jìn)行深海探測(cè)、石油勘探等任務(wù)，對(duì)科研成果的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有積極推動(dòng)作用。

研究人員展望道：“除魟魚外，我們發(fā)現(xiàn)鯊魚的精子也具有類似的雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的推進(jìn)機(jī)制將革新人們對(duì)微生物運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知，為研究自然受精提供了一個(gè)新的視角，同時(shí)為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來(lái)了靈感。受這種雙節(jié)螺旋推進(jìn)機(jī)制啟發(fā)的仿生機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)效率和靈活性及環(huán)境適應(yīng)性等方面顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)工程等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。我們希望在這種仿生機(jī)器人上集成多種傳感器及通訊設(shè)備，將來(lái)可以應(yīng)用于海洋探測(cè)、濕地保護(hù)及灘涂勘探等應(yīng)用?！?/p>

該工作由香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系申亞京課題組和香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系史家海課題組主導(dǎo)完成。王盼冰博士和M. A. R. Al Azad博士為文章第一作者。其他合著者包括香港城市大學(xué)申亞京課題組在讀博士生楊雄和香港海洋公園公司的研究人員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(61922093, U1813211,81770099)，香港醫(yī)療衛(wèi)生研究基金(05160296)，香港研究資助局(21101218)，深圳市科技創(chuàng)新基金(JCYJ20170413115637100，JCYJ20170412152916724)，深圳市三名工程醫(yī)學(xué)研究項(xiàng)目(SZSM201811092)，香港研究資助局優(yōu)配研究基金(11211720)，深圳市重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JCYJ20200109114827177)的資助。

文章鏈接：PanbingWang, M. A. R. Al Azad, Xiong Yang, Paolo R. Martelli, Kam Yan Cheung, JiahaiShi, and Yajing Shen, “Self-adaptive and efficient propulsion of Ray sperms atdifferent viscosities enabled by heterogeneous dual helixes”，Proceedingsof the National Academy of Sciences of the United States of America, 10.1073/pnas.2024329118

來(lái)源: 機(jī)器人大講堂