科學冷知識︱為何卵子比精子大一萬倍?科學家揭露完美結合過程

撰文:明日科學
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卵細胞是大多數生物產生的最大的細胞,以人類來說,卵細胞比典型的身體細胞大了好幾倍甚至比精子細胞大一萬倍左右。卵細胞(或卵母細胞)之所以如此之大,是有原因的:它們需要累積足夠的營養來支持受精後不斷生長的胚胎,還需要線粒體為所有這些生長提供動力,不過生物學家還尚未完全瞭解卵細胞是如何變得如此巨大的。

麻省理工學院MIT的一個生物學家和數學家團隊在果蠅中進行的一項新研究展示了卵母細胞在受精前顯著而迅速增長的過程,這些細胞依賴於一種物理現象,類似於不同大小的氣泡去交換氣體。具體來說,研究人員發現,圍繞在更大的卵母細胞周圍的「哺育細胞」會將其內容物輸入到更大的卵母細胞當中,就類似空氣會從一個較小的氣球進入到一個較大的氣球,而它們之間是通過小管道將它們連接起來。

圍繞在更大的卵母細胞周圍的「哺育細胞」會將其內容物輸入到更大的卵母細胞當中(MIT)

麻省理工學院物理應用數學副教授Jörn Dunkel說:「這項研究揭露了物理學和生物學是如何完美結合在一起的,以及大自然是如何利用物理過程來創造這種強大的機制,如果生物想像胚胎一樣發育,目標之一就是讓機制具有可重復性,而物理學為實現某些運輸過程提供了一種非常強大的方法。」

卵母細胞會產生一個卵細胞和15個哺育細胞

在雌性果蠅中,未成熟的卵母細胞經歷四個細胞分裂週期,產生一個卵細胞和15個哺育細胞,然而細胞的分離是不完整的,每個細胞通過狹窄的通道與其他細胞相連,這些通道就像閥門一樣,允許物質在細胞之間通過。

在早期階段,研究人員就發現了細胞的收縮力似乎根本沒有增強,這表明運輸機制並不是「擠壓」的方式,人們可能會認為大氣球會向小氣球洩漏空氣,直到它們大小相同,但實際情況卻是空氣是從小氣球流向大氣球的,這是因為曲率較大的小氣球比大氣球能承受更多的表面張力,因此壓力也就更高,因此空氣從小氣球中擠出進入大氣球當中,科學家表示:「這雖有違直覺,卻是一個非常強大的運作過程。」

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「雙氣球效應」

根據已經推導出的數學公式來解釋這種「雙氣球效應」,研究人員提出了一個模型,該模型描述了細胞內容物如何從15個小的哺育細胞轉移到大的卵母細胞,根據它們的大小和彼此之間的聯繫,發現最靠近卵母細胞層的哺育細胞會先轉移其內容物,然後是較遠層的哺育細胞轉移,在這個過程很少會有擠壓的情況發生,細胞會均勻收縮,直到第二個過程的剛開始才會有積極的擠壓現象或者是細胞蠕動的變形。

研究人員表示這些發現可以證明細胞是如何協調它們的行為,利用生物和物理機制,實現細胞組織的行為,而果蠅和其他無脊椎動物的卵母細胞和早期胚胎發育與哺乳動物有一些相似之處,但尚未清楚人類或其他哺乳動物是否也存在相同的卵細胞生長機制。

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【本文獲「明日科學」授權轉載。】

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