精子は、柔らかい尾を叩いたり回転させたりすることで「泳ぐ」ことが一般的に認められています。 しかし、科学者が率いる研究チームは、光線の精子が尾と頭の両方を回転させることによって動くことを発見しました。 チームはさらに動きのパターンを調査し、ロボットでそれを実証しました。 彼らの研究は微生物の動きに関する知識を広げ、ロボット工学の設計にインスピレーションを与えました。
驚くべき発見
この研究により、光線精子の新しい特異な運動モードが明らかになりました。彼らはこれを「不均一二重らせん (HDH) モデル」と呼んでいます。 「これは実は偶然の発見でした」
それはすべて、サメやエイなどの軟骨魚類を養殖するための人工授精技術を開発するというチームの別の研究から始まりました.その骨格は全体または大部分が軟骨で構成されています。 「軟骨魚は、COVID-19を含む病気に対する抗体を生産するための「工場」として使用できます。 そこで、価値の高い水産養殖のためにそれらを養殖するための人工授精技術を開発したかったのです」と彼は言いました。
その過程で、顕微鏡下で光線精子の独特の構造と遊泳運動を最初に観察したとき、チームは大いに驚いた。 彼らは、光線精子の頭が丸いのではなく長いらせん構造になっており、泳ぐときに尾と一緒に回転することを発見しました。
チームはさらに、その推進メカニズム、特に運動中の頭部の正確な役割を調査しました。 彼らは、光線精子が不均一ならせん状のセクションで構成されていることを発見しました。硬いらせん状の頭と柔らかい尾が、回転運動にエネルギーを提供する「ミッドピース」によって接続されています。 光線精子の頭部は、遺伝物質の「容器」であるだけでなく、柔らかい尾とともに推進力を促進します。
運動モードをより理解するために、チームは大量の水泳データを分析し、精子の内部構造をナノスケールで観察しました。 エイ精子の頭と尾の両方が同じ方向に回転し、さまざまな回転速度と振幅で泳ぐため、チームはこれをヘテロジニアス デュアル ヘリックス (HDH) 推進力と名付けました。
彼らの統計分析によると、頭部は総推進力の約31％に寄与しました。これは、すべての既知の精子で最初に記録された頭部推進力です。 頭部の貢献により、光線精子の運動効率は、尾によってのみ駆動されるコチョウザメや雄牛などの他の種よりも高くなります。
「このような従来とは異なる推進方法は、光線精子に幅広い粘性環境への高い適応性を提供するだけでなく、優れた運動能力と効率にもつながります」.
高い環境適応性
自然淘汰には環境適応性が非常に重要です。 光線の精子の頭と尾は、環境の粘性に従って運動と推進力への貢献を調整し、前進運動のために異なる速度で泳ぐことができます。 したがって、光線精子は、さまざまな粘度のさまざまな環境で移動でき、高い環境適応性を示します。
チームはまた、光線精子が独特の双方向の遊泳能力を持っていることを発見しました。つまり、彼らは順方向だけでなく逆方向にも泳ぐことができます。 このような能力は、特に障害物に遭遇したときに、自然界の精子に利点をもたらします。 また、球形または棒状の頭部を持つ他の精子は、双方向の運動を実現できません。
HDH モデルのおかげで、光線精子のスパイラル ヘッドはアクティブな回転能力を持っています。 頭と尾の両方が推進力に寄与するため、それらの間の角度が体に横方向の力を生成し、光線精子が回転することを可能にし、その動きに高い柔軟性を示します。
生物に着想を得たロボットが HDH モデルを実演
独特の HDH モデルは、運動性と効率性において広範な特徴を示し、マイクロロボットの設計においてチームにインスピレーションを与えました。 生物に着想を得たロボットは、同様に硬いスパイラル ヘッドと柔らかい尾を備えており、同じ入力入力の下で、適応性と効率の点で従来のものと同様の優位性を示しました。 粘度が変化しても、液体のある環境で上手に動くことができます。
このような能力は、難しいエンジニアリング タスク用の水泳ロボットを設計するための洞察を提供し、 生物医学 血管内などの複雑な流体環境を伴う人体内部のアプリケーション。