Принято считать, что сперматозоиды «плавают», взмахивая или вращая своими мягкими хвостами. Однако исследовательская группа под руководством ученых обнаружила, что лучевые сперматозоиды перемещаются за счет вращения хвоста и головы. Команда исследовала модель движения и продемонстрировала ее с помощью робота. Их исследование расширило знания о движении микроорганизмов и послужило источником вдохновения для проектирования роботов.
Удивительное открытие
Исследование выявило новый и своеобразный режим движения лучевых сперматозоидов, который они назвали «моделью гетерогенных двойных спиралей (HDH)». «На самом деле это было случайное открытие»,
Все началось с еще одного исследования команды по разработке методов искусственного осеменения для разведения хрящевых рыб, включая акул и скатов, чей скелет полностью или в значительной степени состоит из хряща. «Хрящевые рыбы могут использоваться как« фабрика »для производства антител против болезней, включая COVID-19. Поэтому мы хотели разработать методы искусственного осеменения, чтобы выращивать их для получения ценных видов аквакультуры », - сказал он.
Во время этого процесса команда была очень удивлена, когда они впервые наблюдали уникальную структуру и плавательное движение лучевых сперматозоидов под микроскопом. Они обнаружили, что голова лучевого сперматозоида имеет длинную спиральную структуру, а не круглую, и она вращается вместе с хвостом во время плавания.
Команда дополнительно исследовала его двигательный механизм, особенно точную роль головы в движении. Они обнаружили, что лучевые сперматозоиды состоят из неоднородных спиральных частей: жесткой спиральной головки и мягкого хвоста, которые соединены «срединной частью», обеспечивающей энергию для вращательного движения. Голова лучевой спермы является не только «вместилищем» генетического материала, но и способствует движению вместе с мягким хвостом.
Чтобы лучше понять режим движения, команда проанализировала большое количество данных о плавании и наблюдала внутреннюю структуру сперматозоидов в наномасштабе. Поскольку и голова, и хвост лучевой спермы вращались в одном направлении с разными скоростями вращения и амплитудами во время плавания, команда назвала это движением с неоднородной двойной спиралью (HDH).
Согласно их статистическому анализу, на голову приходилось около 31% общей движущей силы, что является первым зарегистрированным движением головы среди всех известных сперматозоидов. Из-за вклада головы эффективность движения лучевых сперматозоидов выше, чем у других видов, таких как стерлядь и бык, которые двигаются только хвостом.
«Такой нетрадиционный способ движения не только обеспечивает сперматозоидам лучей высокую приспособляемость к широкому спектру вязких сред, но также приводит к превосходной способности к движению и эффективности».
Высокая экологическая адаптивность
Приспособляемость к окружающей среде имеет решающее значение в естественном отборе. Голова и хвост лучевых сперматозоидов могут регулировать свое движение и вклад в движение в соответствии с вязкостью окружающей среды и плавать с разной скоростью для поступательного движения. Следовательно, лучевые сперматозоиды могут перемещаться в различных средах с широким диапазоном вязкости, демонстрируя высокую приспособляемость к окружающей среде.
Команда также обнаружила, что сперматозоиды обладают уникальной способностью к двунаправленному плаванию, что означает, что они могут плавать не только в прямом, но и в обратном направлении. Такая способность дает преимущества сперматозоидам в природе, особенно когда они сталкиваются с препятствиями. А другие сперматозоиды со сферической или палочковидной головкой не могут двигаться в двух направлениях.
Благодаря модели HDH спиральная головка лучевых сперматозоидов имеет активную поворотную способность. Поскольку и голова, и хвост вносят свой вклад в движение, угол между ними создает боковую силу на теле, позволяя лучевым сперматозоидам поворачиваться, демонстрируя высокую гибкость в своем движении.
Робот, вдохновленный биологией, демонстрирует модель HDH
Своеобразная модель HDH продемонстрировала широкие возможности подвижности и эффективности и вдохновила команду на создание микророботов. Био-вдохновленный робот, также с жесткой спиральной головкой и мягким хвостом, продемонстрировал аналогичное превосходство над обычными роботами с точки зрения адаптируемости и эффективности при той же потребляемой мощности. Он мог умело перемещаться в среде с жидкостью даже при изменении вязкости.
Такие способности могут помочь в разработке плавательного робота для решения сложных инженерных задач и биомедицинских применения внутри человеческого тела со сложной жидкой средой, например, внутри кровеносных сосудов.