精子是如何打敗其它數億精子最終與卵子結合的？| No.404

生命是這樣獨特
精子與卵子結合前要打敗其他數億精子卵子
為此也要拒絕其他精子
這個過程是怎麼發生的呢      

問答導航
 Q1《星球大戰》中的原力和雷射劍有可能實作嗎？
 Q2 風的産生是因為氣壓差，那麼扇扇子是在哪産生高壓哪産生低壓，風扇呢？
 Q3 膠水為什麼黏，是因為分子間的引力嗎？
 Q4 為什麼不插吸管的牛奶不容易倒出來？
 Q5 螃蟹為什麼橫着走？确實和地磁場有關嗎？ 
 Q6 薄膜幹涉中，兩束光的波峰和波谷互相抵消，光由此消失，那麼消失的光去哪了？
 Q7 為什麼下暴雨的天空有時是綠色的？
 Q8 請問卵子是如何拒絕額外的精子的呢？ 
 Q9 為什麼限制了最低溫度而沒有限制最高溫度？      

Q1

by 金黃色葡萄求君

答：

“may the force be with you”，這可能是最出圈的電影台詞之一。“原力”這個詞英文原文就是“force”，就是“力”。是以原力你可以了解成任何形式的能量或者力量，因為原力這個概念裡面還包含了哲學、宗教、倫理等文化内涵是以我們不在此讨論其具體形式，本文我們主要着眼于“光劍”是否能實作。

光劍不是雷射劍。光劍的原文是lightsaber，不是雷射laser。盡管中文很多情況下翻譯為雷射劍，但是稱其為光劍更為合适，用雷射制造光劍并不是十分合适。

雷射的原理是“受激輻射的光放大”。是說在組成物質的原子中，有不同數量的電子，它們在不同的能級上，有的能級高，有的能級低。在高能級上的電子在受到外界光子激發時會從高能級跳回到低能級上，這時将會輻射出能量為兩個能級差能量的光。當輻射出來的光與激發它的光的波長和方向恰好相同時我們可以得到一束準直的雷射。

因為雷射的能量很大，是以其确實可以用來切割物體，這發展出了雷射切割機和雷射武器。然而一個問題是能夠切割物體的雷射器都非常巨大，難以實作手持。更重要的問題是光不會停下。光劍是有長度的，為了制造光劍，我們需要設計出一種方法，讓這些光子的輻射範圍在1.5米左右，然後神奇地停在那裡。這完全超出了現有的實體學認知，就像你手電筒發出的光一定是無限延伸的。另外一個問題是光劍作為一個實體上的棒或劍的概念，其互相碰撞的時候是有聲音的。但是如果你打開兩個手電筒把光束交叉，這并不會發出“嗡嗡”響。這是因為光子沒有靜止品質，就是說雷射光束沒有品質，是以兩束雷射無法實作機械意義上的“碰撞”。

那麼能不能制造一種更加貼近電影描述的光劍呢？答案是有的。其實官方已經給出了答案——等離子體。等離子體是由電子和離子組成的高能物質狀态，其溫度約為5000至10000℃。生活中的火，閃電，熒光燈的氣體放電，引發極光的太陽風都是等離子體。等離子體因為具有超高的溫度，是以也可以切割物體，且其内的電子、離子是有品質的，是以可以實作碰撞的效果，另外等離子體束不是光束，是可以在一定範圍限制而不會無限延伸的。實際上，技術宅們已經做出了逼近光劍的成品，有個叫Hacksmith的團隊就用锶等離子體（4500℃）造出了可能是目前最像光劍的成品，在b站你就能看到他們的視訊。通過焰色反應，還可以實作光劍的不同顔色。

如果你覺得這很科幻，那麼非常抱歉，換一個名字可能會使你瞬間了解但是也破除了夢幻:這裡的“光劍”≈大号噴槍。

參考文獻：

1. 星球大戰裡的“雷射劍”？你誤會了！，中科院實體所光實體實驗室QSA實體所學生分會
2. 專家解答:《星球大戰》裡的光劍在理論上可行嗎？

by opzk

Q.E.D.

Q2

by 正态分布。

答：

風扇産生風的原因也是來自于氣壓差，舉個例子，大家用勺子來送湯喝，将湯換成風，勺子的凹面來送風，就可以類比風扇吹風。扇葉和勺子類似，凹面是出風口，凸面是送風口，那就可以簡單判斷出，風扇的高壓區和低壓區了，如下圖所示。

風扇的凸面一側，是通過氣壓差來實作氣流流動，風扇的葉片一般都有一定的傾斜，當葉片轉動，他們就會推動空氣中氣體向着統一方向移動（凹面一側），使得葉片區域為低壓區，在此氣壓差下，風扇凸面的空氣就會不斷流向低壓區，進而産生氣流。

而風扇凹面一側，起主要作用的就是葉片旋轉引導空氣進行離心運動，實作空氣的加速和轉向。

綜合下來，扇子和風扇的産生風的原理是一樣的，人體扇扇子就類似于單個葉片在做擺動産生風。

by 藍多多

Q.E.D.

Q3

by 至人（無己）

答：

粘接原理實際上非常複雜，基本原理有機械理論、吸附理論、擴散理論、靜電理論等。對于大部分膠水粘接原理來說，膠粘力主要來自于分子間的互相作用力。當“膠水分子”充分潤濕被粘物體表面，與之良好接觸，且分子間的距離小到一定程度時，二者形成分子之間的互相作用，這其中水對“膠水分子”的浸潤起到了很大的幫助。随後膠水中的水分揮發出去，進而将被粘物體粘接了起來。這種吸附不僅存在實體吸附，有時也存在化學吸附，其吸附力來源于化學鍵，正是這些吸附力使兩物體粘接在一起。

參考資料：

1. 膠水為什麼能粘住東西

by Sid

Q.E.D.

Q4

by 不是所有牛奶都叫特侖蘇

答：

其實牛奶是否容易倒出來與是否插入吸管無關，而是與是否有空氣進入有關。如圖a所示，将吸管插入密封的牛奶瓶中，不妨假設瓶口和吸管連接配接處密封良好，幾乎沒有空氣流進瓶中，此時會發現牛奶基本上不能流出來。相反，如果瓶口和吸管連接配接處密封較差，空氣可以流入瓶中，此時瓶口處和吸管内都會有牛奶流出，如圖b所示。這是由于瓶子倒立過來後，液面上方的壓強小于外界大氣壓，此時牛奶自身的重力+瓶内部氣體壓力=外界大氣壓力，是以牛奶不會流出。如果瓶内進入空氣使得，則牛奶會因為自身重力而流出來。同樣地，如果把吸管拔出來後，即使瓶口處孔洞較小時牛奶也不能流出來，隻有當孔洞較大，能夠讓空氣可以進入瓶内時，牛奶才能流出來。

by Sid

Q.E.D.

Q5

by 匿名

答：

螃蟹為什麼橫着走一直是一個古老的問題，而關于螃蟹橫行與地磁場的關系的說法也在網絡上流傳甚廣。根據一些說法[1]，螃蟹是依靠地磁場來判斷方向的。在地球形成以後的漫長歲月中，地磁南北極已經發生過多次倒轉。螃蟹是一種古老的回遊性動物，它的内耳有定向小磁體，對地磁非常敏感。由于地磁場的倒轉，螃蟹體内的小磁體失去了原來的定向作用。為了在地磁場倒轉中生存下來，螃蟹采取了橫着走的方式。

然而，在已有的研究中，并沒有證據支援螃蟹利用地磁場導航的說法。已知的大部分螃蟹種類都沒有磁場導航的能力。相反，它們通常根據天空中的參照物、沙灘的傾斜度、波浪等線索來找到回家的路。此外，螃蟹沒有所謂的“内耳”結構，它們的聽覺器官分布在腿上。螃蟹的腿上分布有不少特殊的感覺器官，可以接收空氣中的聲音和高頻率的地面振動。是以，螃蟹的腿對于感覺環境非常敏感[2]。

螃蟹的橫行與其身體結構和生活環境有關。螃蟹的每隻步足由多節組成，關節隻能上下活動，無法向外拐彎。這種結構決定了螃蟹可以緩慢地向前行走，但步幅、速度和效率遠遠低于橫着走。螃蟹的身體寬度大于頭尾方向，整個身體呈寬寬的、扁平的形狀，這樣有助于以較低的能耗、最快的速度進入狹長的洞穴，躲避敵害的攻擊。是以，螃蟹通常選擇橫着走的方式[2]。

總的來說，目前沒有支援螃蟹利用地磁場導航的證據。謹防“遇事不決，地磁爆/地磁場”的怪談（手動狗頭）。螃蟹橫行更多是由于其身體結構和生活環境的适應性，其橫行方式使其能夠更高效地在狹窄的環境中移動。

參考資料：

1. 趣味科普| 螃蟹為什麼橫着走？
2. 螃蟹為什麼要橫着走？不要再誤解它們了！

by 魚非我

Q.E.D.

Q6

by 高中實體洪老師的學生

答：

首先，我們需要先明确的是，能量不會無緣無故的産生，也不會憑空消失，兩束光進行幹涉之後，能量一定是守恒的，兩束光發生幹涉後，會出現明暗相間的條紋，亮條紋是幹涉增強的位置，暗條紋是幹涉相消。其中隻有當兩束光的強度相同時，會使得出現幹涉相消的位置光強為0，下面，筆者會給大家帶來較為嚴謹的證明。

幹涉條件：頻率相同、有恒定相位差、振動在一條直線上。

設有兩束頻率相同，相位不同的光：

至此，大家可以清晰地看到，兩束光發生幹涉之後，若兩束光的光強相同，幹涉相消之後，相應位置的光強為0，而相應的，幹涉增強的位置光強達到最大值，經過計算可知，能量并沒有消失，也沒有化為熱量，而是轉移到了幹涉增強的位置。

by 藍多多

Q.E.D.

Q7

by 生活發現者

答：

筆者沒有見過綠色的暴雨天，如果可以提供圖檔就更好啦，給筆者長長見識（bushi）。強對流天氣下确實會出現一些不尋常的天空，然而不尋常的天空下無外乎是尋常的散射。當然散射有好幾個聽起來高大上的名字，希望這不會困擾你。

光的散射是光線通過不均勻媒體時，一部分偏離原來傳播方向的現象（如果光通過的是均勻的媒體，我們不會稱之為散射，我們稱之為反射和折射)。散射家族一般由是否發生能量損失分為彈性散射和非彈性散射。彈性散射家族主要成員是瑞利散射和米氏散射；非彈性散射家族主要成員是拉曼散射和布裡淵散射。我們今天讨論的情況跟非彈性散射關系不大，是以這部分就由讀者自行查閱吧（其實是筆者懶得寫了）。

瑞利散射的特點是散射強度與波長的4次方成反比，當微粒尺寸遠小于光波長時發生。這就是說，光的波長越短，其被散射得越厲害。天空是藍色的，是因為藍紫光的波長短，被散射後肉眼才能接收到，否則會像在宇宙空間中一樣一片漆黑；如果藍光被散射的過多而消耗殆盡，例如日出日落太陽傾斜角比較大，光路長，藍光被散射過多天空就主要呈現出紅色。

另一種在強對流天氣下更為重要的散射是米氏散射。當光路上的微粒尺寸和波長相當時，主要發生米氏散射。米氏散射的強度與光波長的2次方成反比，且随着顆粒的增大，散射強度随波長變化的起伏變弱。因為雲霧的顆粒尺寸與紅外線波長接近，故這種散射方式主要發生于當空氣中存在大微粒，如灰塵，水滴和來自污染物的顆粒的情況下。強對流天氣下雲層中有大量的小水滴和小冰晶，能夠發生大量的瑞利散射和米氏散射。這些顆粒相對于晴朗藍天下散射的氮氣分子，氧氣分子大，在一定巧合下散射的波長會正好偏藍綠。

此外這個現象跟前兩天我們轉發的這篇文章有些類似，在深海下血液竟然是綠色的，如果有興趣的話可以參考。

參考文獻：

1. 光學基礎知識大講堂 ——第8期：光的散射，方再金，暨南大學
2. 河南鄭州驚現「綠色天空」 ，這一現象發生的原因是什麼？，等風

by opzk

Q.E.D.

Q8

by 拜托問題一定要抽中

答：

受精過程就是精子克服萬難與卵子結合，進而誕生新生命的過程。

交配完成後，有大概3億精子進入陰道，其中會有數百萬的精子逃離陰道或死于酸性環境中，剩餘的精子會在弱堿性的精液保護下存活。

精子要通過宮頸進入子宮。宮頸通常為關閉狀态，隻有在排卵期間才會打開（在之後的過程中也有大量品質差、活性低的精子，會因為存活時間短被淘汰）。剩餘的順利通過宮頸，向子宮遊動過程中，數百萬精子會陷入宮頸的褶皺（卒）。

到達子宮在子宮肌收縮的幫助下遊向卵子，該過程精子會遭到女性體内免疫細胞的攻擊，會有一部分精子死亡（上萬）。

之後一半精子遊向空的輸卵管，另一半遊向有卵子的，至此就剩下幾千個精子，在輸卵管内，微小的纖毛将卵子推向子宮，同時精子要克服纖毛的阻攔繼續向裡運動。

生殖道内的化學物質引起精子頭部膜結構發生改變，當精子到達卵子時三億就隻剩下幾十個了，卵子被一層放射冠細胞包裹，精子穿過這些細胞就接觸到卵子的外層—透明帶。

精子接觸到透明帶會馬上與上面的受體結合，觸發精子頂體釋放消化酶，讓精子鑽入卵子内，透明袋裡面就是充滿液體的狹窄空間，即卵細胞的外側

第一個接觸到卵細胞的精子會令其受精，精子與卵子的外膜會在幾分鐘内融合，并将精子推向卵子内部。之後卵膜發生皮層反應，防止其他精子進入，卵子同時釋放化學物質隔離外面的精子形成受精膜，透明帶硬化（透明帶反應），進一步阻止正在穿過透明帶的精子和隔離外面的精子。

cell期刊的一篇文章（文底附上）表示，透明帶硬化的過程就與一種名為ZP2的蛋白脫不開關系，在單個精子使卵子受精後，透明帶會發生硬化，進而阻斷多精子進入（這個過程可是不可逆滴）。透明帶硬化是一種整體實體化學變化，這與糖蛋白ZP2的N端區域（NTR）的切割有關，ZP2是組成透明帶的四種糖蛋白（ZP1、ZP2、ZP3和ZP4）之一。

ZP2的切割觸發了它的寡聚化（即單個化合物之間形成二、三聚體或者長鍊分子的過程），或者了解為這些蛋白生物大分子是以非共價鍵形成的。由I型（ZP3）和II型（ZP1/ZP2/ZP4）組成的兩個原纖維互相連接配接成一個左旋雙螺旋，II型亞基的NTR區域就會從中突出，其中就會包括ZP2蛋白的N端。而ZP2的切割使其NTR區域發生寡聚化，這樣就可以大量地交聯ZP蛋白，使透明帶硬化，進而在實體上阻斷其他精子的進入。

參考文獻：

1. Shunsuke Nishio,ZP2 cleavage blocks polyspermy by modulating the architecture of the egg coat,Cell,Volume 187, Issue 6,2024,Pages 1440-1459.e24,ISSN 0092-8674
2. Nucleus 《生物實驗室》

by 藍多多

Q.E.D.

Q9

by 匿名

答：

從熱力學角度來看，溫度是衡量物體内能的實體量。根據熱力學第零定律，當兩個物體處于熱平衡時，它們的溫度是相等的，這個定律為溫度的定義提供了基礎。而根據熱力學第三定律,我們可以定義絕對零度，即溫度的理論下限。絕對零度被定義為（開爾文），相當于。在這個溫度下，物質的分子和原子的運動幾乎停止，熱能達到最低點。

為什麼實體學上限制了最低溫度而沒有限制最高溫度呢？這是因為在熱力學中，溫度的定義是基于物質的熱運動。當物體的溫度升高時，分子和原子的運動變得更加劇烈，熱能增加。然而，沒有理論上的上限來限制溫度的最高值。這是因為物質的熱運動可以無限增加，沒有明确的限制。

從宇宙學的角度來看，宇宙中存在一個可能的最高溫度，稱為普朗克溫度。普朗克溫度是根據量子力學和引力理論推導出來的，其值約為 [1]。這個溫度是基于普朗克機關制中的實體常數定義的，它代表了宇宙大爆炸之後極短時間内的溫度。在這個溫度下，如果一個物體達到普朗克溫度，它将發出對應于普朗克長度的黑體輻射。如果溫度更高，它将發出比普朗克長度更低波長的黑體輻射，但我們缺乏相應的理論來描述這種情況。

普朗克溫度的存在并不意味着宇宙中存在一個最高溫度的限制。普朗克溫度隻是一個根據量綱分析得來的理論溫度，并沒有現實意義。在現實宇宙中，我們可以觀測到的最高溫度是由物質的性質和互相作用決定的。例如，在高溫下，強子會"熔化"成誇克湯，這被稱為哈格多恩溫度，約為 [2]。然而，這并不是一個絕對的最高溫度，因為誇克物質可能可以被進一步加熱。

（頭暈了吧，省流一下）在熱力學中，溫度的下限是絕對零度，因為物質的熱運動在這個溫度下幾乎停止。而溫度的上限沒有明确的限制，因為物質的熱運動可以無限增加。在宇宙學中，普朗克溫度被認為是可能的最高溫度，但它隻是一個理論溫度，并沒有現實意義。

參考資料：

1. 普朗克溫度
2. 既然宇宙有最低溫度下限，那有沒有最高溫度上限？

by 魚非我

Q.E.D.

本期參與人員：Sid、opzk、藍多多、魚非我

編輯：小範