趋流性促进哺乳动物精子细胞的上游导航

生物学中的一个主要谜题是哺乳动物精子如何在有性生殖过程的不同阶段确定并维持正确的游动方向。虽然假设趋化性在卵子附近占主导地位，但尚不清楚是哪些生化或物理线索引导精子细胞完成通往卵细胞的漫长旅程。目前争论的机制范围从蠕动泵送、温度感应（趋温性）到对流体流动变化的直接响应（趋流性），但关于它们相对重要性的定量知之甚少。在此，我们报告了首次对哺乳动物精子趋流性的定量实验研究。利用微流控装置，我们系统地研究了人类和公牛精子在整个生理相关剪切率和粘度范围内的游动行为。我们的测量表明，流体剪切、立体表面相互作用以及鞭毛摆动手性的相互作用导致了精子细胞稳定的上游螺旋运动，从而提供了一种通用且稳健的整流机制以支持哺乳动物受精。为合理解释这些发现，我们确定了一个能够定量描述实验观测的最小数学模型。结合实验和理论证据支持了以下假设：哺乳动物精子细胞的形状和摆动模式已进化为能最优地利用趋流性进行长距离导航。