精子游动精度的热力学极限

在自然环境和辅助生殖技术中，精子游动对于使卵受精至关重要。对精子动力学建模涉及弹性、流体动力学、内部主动力以及非平衡噪声。在此，我们通过实验证明了能量耗散对精子摆动涨落的相关性。对于每个运动细胞，我们重建了尾部两个主要空间模态的时间演化，它们共同描绘了一个以最大精度水平 $p_{max}$ 为特征的含噪极限环。我们的结果表明 $p_{max} \sim 10^2 s^{-1}$，惊人地接近驱动鞭毛的 dynein 分子马达的估计精度，而根据热力学不确定关系，该精度受其能量耗散率的限制。在缺氧条件下的进一步实验表明，$p_{max}$ 随能量消耗而衰减，正如单个分子马达中所发生的那样。这两个观察结果都可以通过假设 dynein 马达构象变化之间的高度协调来解释。这一猜想得到了一个理论模型的支持，该模型描述由一组马达驱动的 ideal 鞭毛的摆动，包含强度为 $K$ 的马达-马达最近邻耦合：当 $K$ 较小时，大鞭毛的精度远高于单个马达的精度；相反，当 $K$ 较大时，两者变得可比。