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。
撰文 " 赵冰莹、石云雷
审校 | 吴非
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”。
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”。
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。
封面图：Pixabay
参考链接：
https：//www.sciencealert.com/the-biological-fireworks-sparked-by-fertilization-are-at-least-300-million-years-old
https：//www.sciencealert.com/world-first-images-reveal-sparks-literally-fly-when-an-egg-meets-sperm
https：//www.sciencealert.com/scientists-just-captured-the-actual-flash-of-light-that-sparks-when-sperm-meets-an-egg
https：//phys.org/news/2014-12-stunning-zinc-fireworks-egg-sperm.html
https：//news.northwestern.edu/stories/2016/04/radiant-zinc-fireworks-reveal-quality-of-human-egg
https：//www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160426091734.htm
https：//www.nature.com/articles/srep24737
https：//www.nature.com/articles/nchem.2133
https：//www.nature.com/articles/s41557-021-00705-2
