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主动出击,逆流而上!CAE仿真一个精子的升级之路

6月前浏览1626
  

摘要

本文探讨了人类精 子在受孕过程中的运动规律。科学家利用计算流体力学(CFD)研究精 子在女性生殖系统内的游动,发现精 子需穿越高粘度非牛顿液体和免疫细胞,仅少数能到达卵子。精 子游动呈非对称模式,类似小电钻旋转,其运动受生物力学和流体力学影响。研究还揭示了非牛顿流体对精 子游动的影响,以及精 子导航机制包括趋化性、趋温性、趋流性和近壁作用。最终,精 子需克服宫颈粘液阻力,仅有0.1%能成功传递遗传信息。



正文

每一次的尝试受孕,会有多达3亿个精 子在宫颈口处射出。然而,据不完全统计,约六分之一的夫妇患有不孕不育症。长期以来,科学家尝试通过计算流体力学(CFD来研究精 子运动规律,解释人类受孕机理,揭示精 子的升级之路

 

研究表明,一个人类精 子要从数亿同类中脱颖而出达成自身使命,必须穿过充满高粘度非牛顿液体和潜在敌对免疫细胞的女性生殖系统,移动相对于自身体长数千倍的距离。绝大多数精 子甚至无法到达输卵管,更不用说受精了。

在大家印象中,精 子运动就跟小蝌蚪一样,做的是一种对称游动。然而,科学家发现那种对称的尾部摆动只是一种幻觉。精 子运动其实是这样的:类似小电钻一样,自身附加旋转,凭借着非对称的游动,顺利抵达自己的温床。

精 子运动是一个复杂的生物学过程,涉及到生物力学、流体力学等多学科知识。CFD研究主要考虑非牛顿流体力学以及流固耦合作用。精 子游动的雷诺数Re为0.01左右,粘性力远大于惯性力。同时忽对流项,使N-S方程线性化为Stokes方程

正常人类精 子体长约60μm,其中鞭毛长约55μm,能在流体中产生有节律的波动推动自身迁移。因此,构建精 子运动模型时,通常将精 子视为一根连续分布离散点连接构成的摆动细丝,指定各点之间相对运动规律来产生鞭毛波动效果

非牛顿流体也称为粘弹性流体,其粘度与剪切速率不成正比。一般的CFD研究将精 子的流动环境简化为牛顿流体,但精准性未知。有研究发现非牛顿流体会促进精 子间吸引与聚集。此外,精 子游动速度及效率也会受到非牛顿流体的粘弹性系数的影响。

精 子运动的导航机制包括趋化性、趋温性、趋流性、近壁作用几个方面。趋温性是精 子能够感受周围环境温度,并朝温度更高地方游动的特性。趋流性则是精 子感知周围流体的流动状态来调节自身运动的一种特性,精 子具有逆流而上的负趋流性。精 子在有界区域游动过程中倾向于靠近壁面游动,进而使得精 子能够在生殖道内依靠壁面引导游动方向。

上图展示了人类精 子在低粘度和高粘度流体中的游动情况,说明了人类精 子在女性生殖系统的粘性液体中时,精 子尾部呈现独特的曲折波形。值得注意的是,尽管液体的粘性阻力超过水的100倍,人类精 子在其中的游动速度与其在体外受精的含水介质中的速度相似

 

宫颈粘液阻力是精 子前进的绊脚石,即使在最佳条件下,一般也只有0.1%的精 子能够到达子宫颈管。为了到达卵子将遗传信息传给下一代,精 子主动出击穿过高粘度的非牛顿液体和潜在的敌对免疫细胞。

主动出击,逆流而上!
人生不如意时,多学一学精 子,不要自暴自弃!
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来源:FEAer
科普
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首次发布时间:2024-05-05
最近编辑:6月前
FEAer
本科 | CAE工程师 到点就下班的CAE打工人
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