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我们诞生时,生命绽放了一场美丽而盛大的焰火

以下文章来源于环球科学 ,作者环球科学

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 " | 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。

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 | 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。

非洲爪蟾丨 Wikimedia Commons, TimVickers / public domain

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 | 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。

参考文献

[ 1 ] https://www.sciencealert.com/the-biological-fireworks-sparked-by-fertilization-are-at-least-300-million-years-old

[ 2 ] https://www.sciencealert.com/world-first-images-reveal-sparks-literally-fly-when-an-egg-meets-sperm

[ 3 ] https://www.sciencealert.com/scientists-just-captured-the-actual-flash-of-light-that-sparks-when-sperm-meets-an-egg

[ 4 ] https://phys.org/news/2014-12-stunning-zinc-fireworks-egg-sperm.html

[ 5 ] https://news.northwestern.edu/stories/2016/04/radiant-zinc-fireworks-reveal-quality-of-human-egg

[ 6 ] https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160426091734.htm

[ 7 ] https://www.nature.com/articles/srep24737

[ 8 ] https://www.nature.com/articles/nchem.2133

[ 9 ] https://www.nature.com/articles/s41557-021-00705-2

撰文:赵冰莹、石云雷

审校:吴非

题图来源:pixabay

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以上内容由"我是科学家"上传发布
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