受精需移動(dòng)15厘米，人類精子到底如何推進(jìn)？科學(xué)家被騙了300多年

人類精子從出發(fā)到達(dá)輸卵管中并與卵子完成受精，通常來(lái)說它們需要移動(dòng)15厘米到18厘米的距離。

考慮到精子是動(dòng)物最小的細(xì)胞之一——人類精子從頂體到末端的長(zhǎng)度差不多只有50微米左右，移動(dòng)超過15厘米不是一件不容易的事。

事實(shí)上，不僅距離上對(duì)精子來(lái)說很遙遠(yuǎn)，在15厘米的旅程中還有各種“誘殺裝置”，因?yàn)榫�子�?duì)于女性來(lái)說是異物會(huì)自然地被防御。

其中包括宮頸粘液困住精子、白細(xì)胞吞噬精子等等，當(dāng)每次數(shù)以億計(jì)的精子同時(shí)出發(fā)時(shí)，真正能到達(dá)目的地——接觸卵子的只有200枚左右。

©quapan/Flickr

那么有趣的問題是，精子到底是如何移動(dòng)的呢？它又是怎么獲得能量來(lái)讓自己持續(xù)推進(jìn)呢？

關(guān)于精子的“游動(dòng)”有一些非常有趣的故事，所以必須給它單獨(dú)拎出來(lái)說說，這玩意足足愚弄了科學(xué)家300多年。

精子如何欺騙科學(xué)家300多年？

1677年，光學(xué)顯微鏡之父荷蘭科學(xué)家列文虎克在改進(jìn)了顯微鏡之后，他通過這種顯微鏡仔細(xì)觀察了自己的精子，這是人類第一次看到精子。

據(jù)列文虎克的描述，他看到巨量的“微生物”，這些“生物”每個(gè)都有腫大的頭部和幾乎透明的長(zhǎng)尾巴，它們充滿活力，不停像蛇一樣蠕動(dòng)，以及就像水中的鰻魚一樣。

當(dāng)時(shí)人們并不認(rèn)為這是人類的生殖細(xì)胞，實(shí)際上列文虎克認(rèn)為它們是一種寄生動(dòng)物（估計(jì)他第一次看到自己的這些的時(shí)候嚇得不輕），并專門為此創(chuàng)造了一個(gè)名詞“spermatozoa”（現(xiàn)在翻譯成精子動(dòng)物）來(lái)描述這種“生物”。

在精子發(fā)現(xiàn)后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，其實(shí)人們都不知道這種細(xì)胞是干嘛用的，在1695年，同為荷蘭人的尼古拉斯·哈特索克在觀察了精子之后，他瞬間感覺自己領(lǐng)悟到了“上帝的秘密”，他第一次定義了精子的作用，認(rèn)為精子里面住著小人，然后這些小人在女性的肚子里發(fā)育成更大的人，這就是生育的全部。

但尷尬的是，這位仁兄無(wú)法解釋為什么那么多進(jìn)去最后卻只有一個(gè)或者兩個(gè)出來(lái)。

人們對(duì)哺乳動(dòng)物生殖的秘密直到1827年才算有一點(diǎn)點(diǎn)了解，因?yàn)檫@一年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了卵子（尋找卵子是很難的，因?yàn)樗�的�?shù)量非常有限），而到了1876年，科學(xué)家才總算觀察到精子和卵子融合，哺乳動(dòng)物生殖的秘密才算是撥開云霧見明月。

我們回到列文虎克發(fā)現(xiàn)精子的話題，雖然他不知道這些“生物”是干嘛的，但是他在描述顯微鏡下的生物絕對(duì)很有一套。

在那個(gè)沒有相機(jī)的年代，列文虎克甚至純手工繪制了精子的畫像（上圖），并且第一次通過圖像和語(yǔ)言同時(shí)描述了精子是如何移動(dòng)的——它就像是蝌蚪或者魚一樣通過左右甩動(dòng)尾部來(lái)讓自己前進(jìn)。

精子以這種形式（擺動(dòng)尾部）移動(dòng)估計(jì)符合我們幾乎所有人的刻板印象，因?yàn)槲覀兇蟛糠纸佑|到的科普讀物通常就是這么描述的。

直到最近（2020年），墨西哥國(guó)立自治大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，原來(lái)精子并不是這樣擺動(dòng)尾部來(lái)“游動(dòng)”的，它實(shí)際上是以一種旋轉(zhuǎn)鉆洞的形式在運(yùn)動(dòng)。

墨西哥國(guó)立自治大學(xué)的研究人員采用一個(gè)帶有壓電裝置的3D顯微鏡，以及一臺(tái)一秒鐘能夠記錄超過55000幀的高速相機(jī)，3D掃描了自由游動(dòng)的精子，然后以數(shù)學(xué)方法構(gòu)建了精子的運(yùn)動(dòng)方式（如下圖）[1]

這項(xiàng)研究于2020年7月31日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，其研究人員Gadêlha在接受采訪的時(shí)候表示：精子根本沒有游泳，它只是不斷地鉆進(jìn)液體中。

實(shí)際上，由于精子快速且高度同步的旋轉(zhuǎn)——一秒完成20次旋轉(zhuǎn)，用2D顯微鏡觀察是無(wú)法正確認(rèn)識(shí)它們的運(yùn)動(dòng)方式的——只會(huì)看到左右擺動(dòng)，而現(xiàn)代研究通常都是用2D顯微鏡，所以精子就一直這樣愚弄了科學(xué)家足足300多年。

為什么精子是旋轉(zhuǎn)？

精子是高度特化的細(xì)胞，這意味著它們承受著巨大的進(jìn)化壓力，它們的一切特征只有一個(gè)目的，就是完成受精。

左右擺動(dòng)的游動(dòng)姿勢(shì)適合在一些容易游動(dòng)的液體中推進(jìn)，而精子想要完成受精需要面對(duì)的環(huán)境非常復(fù)雜。

在同一趟旅程中，它們都需要面對(duì)多種環(huán)境，時(shí)而是粘稠的完全無(wú)法推進(jìn)的情況，時(shí)而是潤(rùn)滑的，時(shí)而又干脆是干燥的，所以像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)會(huì)比擺動(dòng)推進(jìn)好用許多。

另外，這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，人類精子的尾巴實(shí)際上是不平衡的，只在一側(cè)擺動(dòng)，這意味著它里應(yīng)該由于單側(cè)擺動(dòng)而原地轉(zhuǎn)圈圈才是。

但是精子找到了一種自適應(yīng)，它們?cè)谟蝿?dòng)時(shí)滾動(dòng)，頂體也跟著尾巴旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)方式正好可以抵消單側(cè)擺動(dòng)造成的不對(duì)稱。

我查閱到2019年的一項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物精子頂體部分都是螺旋狀的，就像是螺絲一樣[2]，這正好符合精子的運(yùn)動(dòng)方式。

那么，還有一個(gè)問題，既然精子這么小，它們又得如此吃力地鉆洞前行，那么它們的能量來(lái)自哪里。

其實(shí)，這個(gè)也是精子高度特化的一部分。

我們知道細(xì)胞活動(dòng)的能量主要來(lái)自線粒體——這個(gè)被稱為細(xì)胞的能量工廠，精子的體積雖然小，但是它們卻擁有非常多的線粒體，它就像是一個(gè)個(gè)小電池一樣給精子供能。

這些線粒體就集中在精子的中段部分，而且為了充分利用空間，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些線粒體是螺旋狀的。

而給這些線粒體提供“燃料”的就是它們的活動(dòng)場(chǎng)所，只有在那里它們有機(jī)會(huì)存活長(zhǎng)達(dá)5天以上，而在其它環(huán)境中精子都會(huì)快速失活。

圖源：

最后，我們?cè)賮?lái)說一個(gè)關(guān)于精子廣為流傳的誤解吧，我們?cè)S多人應(yīng)該都聽說過跑得最快的一枚精子才有機(jī)會(huì)完成受精，所以我們每個(gè)人從出生開始就已經(jīng)在數(shù)以億計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)中贏過一次了。

但是實(shí)際上并不是如此，越來(lái)越多的證據(jù)已經(jīng)表明，跑得（或者鉆得最快）最快的精子只會(huì)最早遇到卵子而已，而卵子有最終的選擇權(quán)，它們會(huì)在幾百甚至上千枚完成比賽的精子中選擇一枚[3]。