没有这一场焰火,你可能不会存在环球科学
关注风云之声
提升思维层次
导读
每个脊椎动物生命的开始时,都会经历一场令人惊艳的"锌焰火"。
受精完成几分钟内,数十亿个锌离子会从受精卵喷出,产生"火花"。图片来源:西北大学
10年前,美国西北大学的科学家发现了一个神奇的现象,在生命的起点——一个精子和一个卵子在融合后,会激发一场由数十亿个离子参与的"锌焰火"。在惊叹于美丽的现象之时,他们想要进一步了解这个现象会出现在哪些生物中。
撰文 | 赵冰莹、石云雷
审校 | 吴非
显微镜下的火花
对于很多生物而言,新生命诞生于一个精子和一个卵子的成功相遇和结合的过程。一直以来,人类都对受精这个神奇、残酷的生物学过程充满了好奇心。此前,我们已经了解当人类的卵子和精子融合后,会触发整个细胞的细胞膜发生改变,阻止其他精子的进入。这个融合过程标志着一个新生命开始发育。
近年来,一些科学家开始注意到在脊椎动物的受精卵形成时,会出现一种极其特别的现象—— 数十亿个锌离子会"点燃"精子和卵子融合的细胞膜 。2011年,任职于西北大学的研究人员Teresa Woodruff和同事通过化学和物理探针,首次发现小鼠的卵子在成熟过程中会吸收近20亿个锌离子,并将它们 存储在卵子透明带的囊泡 (也称为皮层颗粒)中。而在受精卵形成时,这些锌离子会向外喷射,触发一场令人惊艳的"锌焰火"。
Woodruff等人首次在哺乳动物(小鼠)受精过程中观察到大量锌离子被喷出的现象。图片来源:西北大学
5年后,他们通过更先进的检测和显微镜成像技术,在体外的人类受精过程也观察到了这一现象,这也是首次发现在人类受精过程中存在这一现象。Woodruff表示,他们看到每一个人类受精卵在形成时都产生了"锌焰火",这令他们感到非常惊讶。通过这些研究,他们开始考虑一个问题——哪些生物在诞生时,会经历这样一场"锌焰火"?
一场原始的"焰火"
时间又过了5年,这次Woodruff和密歇根州立大学的科学家Tom O’Halloran等人合作,想要了解在较为原始的两栖动物中是否也存在这个现象。他们研究了一种较为原始的蛙类——非洲爪蟾( Xenopus laevis )。这种蛙广泛分布于撒哈拉以南非洲地区,具有较为典型的外形特征。它们的后肢发达、有发达的蹼,前肢纤细无蹼," Xenopus " 在拉丁语中意为"特殊的脚",而" laevis "意为"光滑的",指它们的表面光滑。
非洲爪蟾 图片来源:维基百科
非洲爪蟾还有另一个优点,它们的卵和胚胎的个头较大 , 其卵子是小鼠的15倍,直径可达1.4毫米 ,因此十分便于观察,经常用于胚胎学研究。在最新研究中,研究人员利用高灵敏度X射线荧光显微镜等成像技术,观察了非洲爪蟾的卵子如何在其透明带的囊泡中存储大量锌离子,并确定了在受精前后,这些金属离子的特性、浓度和在细胞内的分布。
他们获得了与之前实验类似的结论。非洲爪蟾卵子表面透明带的皮层颗粒会储存高浓度的金属离子,其中的 锌离子浓度(约有100亿个)是其他区域的10倍 。此外,这些皮层颗粒里还含有大量的 锰离子 (目前只在蛙类中观察到), 约为卵子其他区域的30多倍 。这些金属离子在精子进入卵子的几分钟内,会被全部释放出来。
在这一过程中,皮层颗粒中其他分子和酶也会被释放出来,改变透明带的性质,阻止其他精子进入。锰离子被释放后,会与受精卵周围的精子发生碰撞,阻止它们进入透明带,以保证受精成功。对于二倍体生物来说,当有多个精子进入一个卵子时,过量的染色体会带来毁灭性的结果——受精卵死亡。卵子透明带中的皮层颗粒,正是为了避免一个新生命在发育的起点就遭遇失败,通过释放多种分子和金属离子,阻止多个精子进入同一个卵子,推动一个新的受精卵向前发育。
这项新发现表明,两栖动物在受精时,和人类、小鼠等多种动物一样,存在相同的"火花四溅"的过程。这也意味着, 这个受精过程的演化根源至少可以追溯到3亿年前 ,即蛙类和人类的最后共同祖先生存的年代。
"焰火"的意义
此前,研究人员曾发现当精子进入卵子后,会触发一些过程来激活卵细胞,推动受精卵发育。例如,从精子进入卵子的位点开始,受精卵内的钙离子会反复升高,这个过程也称为"钙离子振荡",能激活卵细胞。与此同时,锌离子也会开始从皮层颗粒中释放出来。受精几分钟后,随着这个结合的细胞内各个区域的钙离子浓度波动,数十亿个锌离子也会围绕整个细胞爆发出一场"焰火"。
人类的卵子在体外受精时,产生的"火花"现象。图片来源:西北大学
Woodruff和O’Halloran发现,这场"锌焰火"对受精后两小时内胚胎的发育至关重要。在受精前的卵细胞内, 高浓度的锌离子会激活细胞静止因子 (cytostatic factor,CSF)—— EMI2 ,以维持成熟的、未受精的卵细胞的活性。只有当锌离子被排出、浓度降低后,EMI2才会失活,而这个过程会激活受精卵,使其 从减数分裂后的状态中脱离,进入有丝分裂 ,继续后续的生长和分类过程。这种情况普遍存在于哺乳动物中。与此同时,焰火的激烈程度与胚胎后续的发育密切相关,可用于预测胚胎的质量和发育情况。
他们认为,这一发现对于改进体外受精技术有着重大意义。目前,我们还没有能够在受孕前评估卵子质量的工具,但这个发现提供了一种易于实现的非侵入式受精卵筛选方法。Woodruff表示:"通过观察受精卵形成时"锌焰火"的大小,我们就能立即知道哪些受精卵更适合后续的人工授精。这为我们提供了一种评估受精卵质量的新方法。"
通过这样的方式,我们可以挑选最适合受孕的卵子,减少在体外受精过程中需要移植的胚胎数量,避免造成伤害。除此之外,该研究还可以帮助我们了解金属如何影响人类的早期发育。O"Halloran说:"这项工作可能有助于了解膳食锌对人类生育能力的影响。"
虽然生命来源于不同元素的有机结合,但在生命起始之时,这个无机过程似乎在说明,生命的生长、发育和活动,来源于有机和无机的结合。
封面图:Pixabay
参考链接:
https://www.sciencealert.com/the-biological-fireworks-sparked-by-fertilization-are-at-least-300-million-years-old
https://www.sciencealert.com/world-first-images-reveal-sparks-literally-fly-when-an-egg-meets-sperm
https://www.sciencealert.com/scientists-just-captured-the-actual-flash-of-light-that-sparks-when-sperm-meets-an-egg
https://phys.org/news/2014-12-stunning-zinc-fireworks-egg-sperm.html
https://news.northwestern.edu/stories/2016/04/radiant-zinc-fireworks-reveal-quality-of-human-egg
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160426091734.htm
https://www.nature.com/articles/srep24737
https://www.nature.com/articles/nchem.2133
https://www.nature.com/articles/s41557-021-00705-2
扩展阅读:
全世界最硬的玻璃,被中国科学家造出来了 | 环球科学
记住冷湖,这里有欧亚大陆最澄澈的星空,以及中国天文学的未来 | 环球科学
你吃平菇,平菇吃肉 | 环球科学
机智号,起飞!| 环球科学
背景简介: 文章2021年9月4日发表于微信公众号 环球科学 (没有这一场"焰火",你可能不会存在),风云之声获授权转载。
金融市场要想挣到钱,就必须先学点兵法交易与战争,惊人的相似如果你把每次期货交易都当成一场战斗,任何将帅都不能确保打赢。其实最好的情况不是己方打赢,而是不死光。我们永远不可能真正了解敌人。对于这种不确定性,我们只能靠增
中国工农红军和八路军高级指战员一一左权(原创诗词)左权长征军团长,领导红军打硬仗。指挥强度大渡河,铁索怎可红军挡。一鼓作气冲过去,敌人吓的全跑光。群山陡峭腊子口,两边绝壁无路走。通往陕甘必经地,碉堡坚固强敌守。红军生死
张天回应网曝大尺度聊天音频她口中的date是什么意思?赶在国庆节假日前,娱乐圈又为我们奉献了一(yi)出(ge)好(da)戏(gua)。陈奕辰与张天这对通过恋爱综艺走到一起的情侣,接二连三爆出猛料。综艺心动的信号中的陈奕辰与张天先是女
丹参种植分布与价格分析三农高质量创作大赛丹参属年用量在2万吨左右常用大宗品种,主要来源于家种,用于饮片投料以及保健(丹参粉作茶用)次之,可作为药食两用。一产地分布主要种植在平原地区,丹参种植历史悠久,对
茯苓药材产量供求与价格关系茯苓属于药食同源菌类药材,其中茯苓的药用和食用需求量位于药材类的第六名,全国年需求量在230000吨左右,需求量非常大。目前大别山茯神鲜坨价格在6。5元8元之间茯苓产新已过大半,价
新会东甲茶枝柑原枝与重庆红橘大红袍川芸皮与凤尾橘络媒体人周刊新会东甲茶枝柑原枝重庆红橘大红袍川芸皮与凤尾橘络重庆红橘大红袍种植历史悠久,为古代朝廷贡品,汉朝时还专设橘官进行管理。主要分布在重庆云阳万州的长江两岸。果中等大,果皮较薄
红花红花红花媒体人周刊2021年6月底又到一年新疆红花产新季,目前新疆产区红花渐渐进入采摘期,当前新货已小批量陆续面向市场,新疆是我国红花的最大产区,种植面积产量均居全国首位,据了解,今年新疆
热不可挡全城争藏丁卯进入金辉芸都尚院的红盘时刻与高温天气一同火热不止的是金辉芸都尚院的销售热潮8月尚院再夺丁卯销冠其创造的热销奇绩再次刷新了丁卯的认知所有热捧背后的逻辑皆有迹可循只因其实力过硬现在,就让我们一起来回顾一下丁卯红
为什么航天员要被抬出来还要隔离?(图新华社)中秋佳节快到了,今天三名航天员顺利返回地球,东风着陆场在载人航天返回中的首秀无比顺利。但相信大家也发现了,三位体格健壮的天神下凡后,却需要工作人员极其小心的照顾并缓慢抬
这些年度热词里,藏着镇江金辉的20202020已经接近尾声,每到这个时刻,人们总习惯总结这一年的经历,而网络上出现的那些新鲜词,也记录着我们今年的生活。今天小编整理出了这些潮流网络词,一起来看看吧!或许平时你眼熟的词语
这是镇江市场释放的什么信号?近期镇江地产圈内的头号热点莫过于即将到来的11月土拍,近日镇江连挂十宗地块准备拍卖,其中宝华占据四个,更引人注目的是,这四宗地块,位置优越,起拍最高楼面价7000元。来源网络其余6