En general, se acepta que los espermatozoides "nadan" golpeando o rotando sus colas blandas. Sin embargo, un equipo de investigación dirigido por científicos de la City University of Hong Kong CityU ha descubierto que los espermatozoides de rayos se mueven al girar tanto la cola como la cabeza.El equipo investigó más a fondo el patrón de movimiento y lo demostró con un robot. Su estudio ha ampliado el conocimiento sobre el movimiento de los microorganismos y ha proporcionado inspiración para el diseño de ingeniería de robots.
La investigación está codirigida por el Dr. Shen Yajing, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Biomédica BME de CityU, y el Dr. Shi Jiahai, profesor asistente del Departamento de Ciencias Biomédicas BMS. Sus hallazgos se han publicado en la revista científicadiario Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
descubrimiento sorprendente
Su investigación reveló un modo de movimiento nuevo y peculiar de los espermatozoides de rayos, al que llaman el "modelo de doble hélice heterogénea HDH". "Esto fue en realidad un descubrimiento accidental", dijo el Dr. Shi, quien se ha estado enfocando en desarrollar diferentes bio-terapias.
Todo comenzó con otra investigación del equipo sobre el desarrollo de técnicas de inseminación artificial para el cultivo de peces cartilaginosos, incluidos tiburones y rayas, cuyo esqueleto está compuesto total o en gran parte por cartílago. "Los peces cartilaginosos se pueden usar como una 'fábrica' para producir anticuerpos contraenfermedades, incluida la COVID-19. Así que queríamos desarrollar técnicas de inseminación artificial para cultivarlas para la acuicultura de alto valor ", dijo.
Durante ese proceso, el equipo se sorprendió enormemente cuando observaron por primera vez la estructura única y el movimiento de natación de los espermatozoides de rayos bajo el microscopio. Descubrieron que la cabeza de los espermatozoides de rayos tiene una estructura helicoidal larga en lugar de ser redonda, y gira a lo largo decon la cola al nadar.
El equipo investigó más a fondo su mecanismo de propulsión, especialmente el papel exacto de la cabeza en movimiento. Descubrieron que los espermatozoides de rayos consisten en secciones helicoidales heterogéneas: una cabeza espiral rígida y una cola blanda, que están conectadas por una "pieza intermedia" que proporcionaenergía para el movimiento de rotación. La cabeza de los espermatozoides de rayos no solo es un "contenedor" de los materiales genéticos, sino que también facilita la propulsión junto con la cola blanda.
Alta eficiencia energética de la propulsión HDH
Para comprender mejor el modo de movimiento, el equipo analizó una gran cantidad de datos de natación y observó la estructura interna de los espermatozoides a nanoescala. Dado que tanto la cabeza como la cola de los espermatozoides del rayo rotaban en la misma dirección con varias velocidades y amplitudes de rotaciónal nadar, el equipo nombró esto como la propulsión heterogénea de doble hélice HDH.
Según su análisis estadístico, la cabeza contribuyó con aproximadamente el 31% de la fuerza propulsora total, que es la primera propulsión de la cabeza registrada en todos los espermatozoides conocidos. Debido a la contribución de la cabeza, la eficiencia de movimiento de los espermatozoides del rayo es mayor que en otras especiescomo el esterlina y el toro, que solo son impulsados por la cola.
"Una forma de propulsión tan poco tradicional no solo proporciona a los espermatozoides de rayos una alta adaptabilidad a una amplia gama de entornos viscosos, sino que también conduce a una capacidad de movimiento superior y eficiencia", explicó el Dr. Shen, cuya investigación se centra en la robótica y micro/ nano manipulación y control.
alta adaptabilidad ambiental
La adaptabilidad ambiental es crucial en la selección natural. La cabeza y la cola de los espermatozoides de las rayas pueden ajustar su movimiento y contribución a la propulsión de acuerdo con la viscosidad ambiental y nadar a diferentes velocidades para avanzar. Por lo tanto, los espermatozoides de las rayas pueden moverse en varios entornos conuna amplia gama de viscosidades, lo que demuestra una alta adaptabilidad ambiental.
El equipo también descubrió que los espermatozoides de rayos tienen una capacidad única de natación bidireccional, lo que significa que pueden nadar no solo hacia adelante sino también hacia atrás. Esta capacidad proporciona ventajas a los espermatozoides en la naturaleza, especialmente cuando se encuentranobstáculos. Y otros espermatozoides con cabeza esférica o en forma de varilla no pueden lograr un movimiento bidireccional.
Gracias al modelo HDH, la cabeza espiral de los espermatozoides de rayos tiene una capacidad de giro activa. Dado que tanto la cabeza como la cola contribuyen a la propulsión, el ángulo entre ellos producirá una fuerza lateral sobre el cuerpo, lo que permitirá que los espermatozoides de rayos giren., mostrando una alta flexibilidad en su movimiento.
Robot bioinspirado demuestra el modelo HDH
El peculiar modelo HDH mostró amplias características en motilidad y eficiencia e inspiró al equipo en el diseño de microrobots. El robot bioinspirado, también con una cabeza espiral rígida y una cola blanda, demostró superioridades similares sobre los convencionales en términos de adaptabilidad y eficiencia.bajo la misma entrada de energía. Podría moverse hábilmente en un ambiente con líquido, incluso cuando la viscosidad cambia.
Dichas habilidades pueden proporcionar información para diseñar un robot de natación para tareas de ingeniería desafiantes y aplicaciones biomédicas dentro del cuerpo humano con entornos fluidos complejos, como el interior de los vasos sanguíneos.
"Creíamos que comprender esta propulsión única revolucionaría el conocimiento del movimiento de los microorganismos, lo que facilitaría la comprensión de la fertilización natural y proporcionaría inspiración para el diseño de robots bioinspirados en condiciones viscosas", concluyó el Dr. Shen.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de la ciudad de Hong Kong . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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