为什么卵细胞会比精子细胞大一万倍?科学家揭露生物学与物理学完美的结合过程!

卵细胞是大多数生物产生的最大的细胞,以人类来说,卵细胞比典型的身体细胞大了好几倍甚至比精子细胞大一万倍左右。卵细胞(或卵母细胞)之所以如此之大,是有原因的:它们需要累积足够的营养来支持受精后不断生长的胚胎,还需要线粒体为所有这些生长提供动力,不过生物学家还尚未完全了解卵细胞是如何变得如此巨大的。

为什么卵细胞会比精子细胞大一万倍?科学家揭露生物学与物理学完美的结合过程!

麻省理工学院MIT的一个生物学家和数学家团队在果蝇中进行的一项新研究展示了卵母细胞在受精前显著而迅速增长的过程,这些细胞依赖于一种物理现象,类似于不同大小的气泡去交换气体。具体来说,研究人员发现,围绕在更大的卵母细胞周围的「哺育细胞」会将其内容物输入到更大的卵母细胞当中,就类似空气会从一个较小的气球进入到一个较大的气球,而它们之间是通过小管道将它们连接起来。

麻省理工学院物理应用数学副教授Jörn Dunkel说:「这项研究揭露了物理学和生物学是如何完美结合在一起的,以及大自然是如何利用物理过程来创造这种强大的机制,如果生物想像胚胎一样发育,目标之一就是让机制具有可重复性,而物理学为实现某些运输过程提供了一种非常强大的方法。」

卵母细胞会产生一个卵细胞和15个哺育细胞

在雌性果蝇中,未成熟的卵母细胞经历四个细胞分裂周期,产生一个卵细胞和15个哺育细胞,然而细胞的分离是不完整的,每个细胞通过狭窄的通道与其他细胞相连,这些通道就像阀门一样,允许物质在细胞之间通过。

在早期阶段,研究人员就发现了细胞的收缩力似乎根本没有增强,这表明运输机制并不是「挤压」的方式,人们可能会认为大气球会向小气球泄漏空气,直到它们大小相同,但实际情况却是空气是从小气球流向大气球的,这是因为曲率较大的小气球比大气球能承受更多的表面张力,因此压力也就更高,因此空气从小气球中挤出进入大气球当中,科学家表示:「这虽有违直觉,却是一个非常强大的运作过程。」

「双气球效应」

根据已经推导出的数学公式来解释这种「双气球效应」,研究人员提出了一个模型,该模型描述了细胞内容物如何从15个小的哺育细胞转移到大的卵母细胞,根据它们的大小和彼此之间的联系,发现最靠近卵母细胞层的哺育细胞会先转移其内容物,然后是较远层的哺育细胞转移,在这个过程很少会有挤压的情况发生,细胞会均匀收缩,直到第二个过程的刚开始才会有积极的挤压现象或者是细胞蠕动的变形。

研究人员表示这些发现可以证明细胞是如何协调它们的行为,利用生物和物理机制,实现细胞组织的行为,而果蝇和其他无脊椎动物的卵母细胞和早期胚胎发育与哺乳动物有一些相似之处,但尚未清楚人类或其他哺乳动物是否也存在相同的卵细胞生长机制。

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