被误解了300年的精子游动方式

你的出生，比你以为的更神奇，更幸运。本文来自微信公众号：十点科学（ID：Science_10），作者：高佩雯、陈天真，题图来自：视觉中国

每个人都曾经是游泳健将。——当你还是一颗精子的时候。

最先发现这个秘密的人是列文虎克。他用自己发明的显微镜第一次观察到了人类的精子细胞——他自己的，并描述道：“它有一条尾巴，在游动时，尾巴像蛇一样摆动，如同水里的鳗鱼一般。”

蛇和鳗鱼怎么动呢？左一扭，右一扭，重复画着S曲线。但这个图像被打破了。

最近，科学家们发现，精子尾巴不是这样动的，它并不会左摆右摆，而是只向一边摆，结果整个精子就像红酒开瓶器一样向前旋进。

——二维图像就这样蒙蔽了我们三百多年。

会游泳的精子

精子游动为啥这么牵动人神经？因为它和生育有关。一开始，人们以为它的头部自带一个小人，是生命的最初形态。后来才知它仅带一半遗传物质，要找到卵子结合才能变成新生儿。

精子在二维平面的游动。|来自网络

但精子想要与卵子相遇，就要穿越充满粘滞液体的女性生殖道，面对复杂的物理和化学环境，包括粘稠的宫颈液、阴道中致命的酸性物质等。如果不慎败下阵来，就要发生不孕不育了。

精子怎么办呢？新研究发现，它有独特的游泳技巧。一切奥秘来自于它的尾巴。

精子就像小蝌蚪一样，尾巴非常强韧，外面包裹着一个加强层，这个加强层具有独特的机械结构，赋予它力量，使它能够强有力而充满节奏地游动。就像我们在之前图片里看到的那样。

令人略略疑惑的是，这个加强层并不是对称的。这理应会导致它有不对称运动的倾向。但之前人们并未留意。

精子尾巴（鞭毛）结构。其加强层并不是对称的，一侧致密纤维多，一侧致密纤维少（以3、8为分界），这使得它更易向纤维弱的一侧弯曲。|HermesGadelha

而这一次，新研究发现，精子游动起来就是不对称的，这和它尾巴的结构正好相吻合。

通过3D显微镜，研究人员发现，精子游动时并不像我们以为的那样，会左右对称地摆动尾巴，而是在做一种类似螺旋的运动：

它的尾巴始终只向一边摆动——按常理它该原地转圈圈了，就像人用单侧身体游泳一样——但同时，它又很“机智”地在绕着游动的方向旋转。

这就抵消了单向摆动带来的不对称问题，使它整个儿就像红酒开瓶器一样向前旋进。

精子强有力的旋进（头部正面视角）。背后红色轨迹是尾巴上某一固定点的投影。|Polymaths Lab

从重建的三维图像可以看出，在精子旋转前进的同时，它的头部也在有节奏地转动（虽然分析表明，这种头部的转动和尾部的旋转并没有直接相关性），使得整体运动十分有力而协调。

这简直就像将螺丝钉拧进木头里面。也难怪它可以在那样高粘度的环境中前进了。

PS：要知道，在女性生殖道的粘液中，精子游动的雷诺系数低至0.0001，而一个小孩在水中游泳，雷诺系数约为10000。雷诺系数用来反映惯性力和粘滞力的关系，数值越小，表示受到的粘滞阻力越大。0.0001≈举步维艰了。

全方位观察精子游动

此前，人们使用2D显微镜观察精子，产生了对称摆尾的错觉。这一次，仰赖先进的3D显微镜技术，终于得见完全不同的图像。

该显微镜使用一架每秒可记录超过55000帧画面的超高速照相机，外带能够快速上下移动样品的载物台，让实验人员得以从不同角度拍摄自由游动的精子。照片通过数字处理，最终变成三维图像。

从3D显微镜中观察到的精子游动。|Polymaths Lab

试验的精子被放在人工调配的较低粘度的生理溶液中，具有非常高的自由度，被从各个方向都观察得清清楚楚。通过先进的数学分析技术，更展示了精妙的细节。

事实上，观察发现，这种螺旋式的前进也是非对称的。

从不同侧面可以看到不同姿态的投影，有的源于单边摆尾（像扭曲的字母C），有的则表现了旋转在整个尾部的传递（像字母S）。这和一个匀称的红酒开瓶器，或者说弹簧有很大的不同。（因为涉及的数学和力学分析比较复杂，在此不表。详情可见阅读原文）

通过3D显微镜重建的精子游动。|Polymaths Lab

之前，人们之所以被迷惑，是因为精子游动很快，在试验或医学观察中，其尾部经常被固定在载玻片上，以至于限制了头和尾的旋转，亦无法推断精子的滚动。

而二维运动经过时间平均，就会表现出静态的对称性。这种对称性，还被作为判断精子活力的重要指标，和生育能力的关系十分显著。也无怪乎人们被它迷惑了300多年啦。

更多你不知道的事

这一次颠覆性的发现，让我们看到了精子游动的艰难。而这只是精子“生涯”的一部分。除了游动阻力大，它还要经受来自卵子的重重考验。

一些新研究揭示了精子与卵子“戏剧性”的相遇（或不相遇），看完令人感叹。

比如，卵子“鹰眼犀利”，会自动排除有缺陷的精子，即使它游得飞快。

2017年的一项研究发现，当健康的雌性小鼠和携带致癌突变基因的雄性小鼠配对时，后代携带该致癌基因的比例只有27%，远低于精子随机结合的携带率75%。这说明卵子会主动选择精子，跑得快并不一定有用，有缺陷照样被拒绝。这被后来的学者称为“神秘的女性选择”。

卵子会主动选择精子。|公共领域

而就算没有缺陷，卵子也会有自己的独特偏好，会给“看不上”的精子使绊子。

2020年6月的一项研究表明，人类卵子会利用化学信号吸引特定男子的精子。通过观察卵泡液样本中积累的精子数量，研究者发现，女性卵泡液有自己的选择偏好，对中意的精子它有激励作用，能使精子游动路线更直；遇到不喜欢的精子，则能使出“延迟魔法”，降低其移动速度。

令人无解的是，这种喜好是和特定的人联系在一起的。在一些不孕不育的夫妻中，妻子的卵泡液只是“看不上”丈夫的精子，却更擅长吸引其他男性的精子。

而为了得到卵子青睐，精子也是非常努力。除了奋力游泳，它们还会主动修正自己的错误。

在2020年1月的一项研究中，科学家发现，在精子成熟过程中，它们会通过一种被称为“转录扫描”的生物机制修复DNA损伤，以减少增殖和分化过程中累积的遗传错误。在这种机制下，被激活的基因的编码错误率比未激活的基因少15~20%。这给人类的遗传稳定性增添了极大的保障。

关于精子是怎样遇到卵子，并长成一个新生命的，相信未来还会有更多的新研究。精子和卵子的故事远未结束。

目前，我们虽然已经观测到了精子游动的三维信息，但对于这些信息在生育中有何意义，还缺少认识；如何将其应用于生殖问题的诊断和治疗，也有待进一步研究。

新的技术手段正不停向我们展示新的细节，生命的奥义，终有一天会被揭开，而我们当前所面临的一系列问题，包括生殖生育问题，也将迎刃而解。

参考资料：

[1] Human sperm uses asymmetric andanisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering[J]. Science Advances, 2020, 6(31): eaba5168.

https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168

[2] Chemical signals from eggsfacilitate cryptic female choice in humans. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2020.0805

[3] Bo Xia et al., (2020),WidespreadTranscriptional Scanning inthe Testis Modulates Gene Evolution Rates,Cell,DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.12.015.

本文来自微信公众号：十点科学（ID：Science_10），作者：高佩雯、陈天真