精子“欺骗”了科学家300多年!研究显示:精子并非左右摆动前进

科学
精子“欺骗”了科学家300多年!研究显示:精子并非左右摆动前进
麻省理工科技评论 2020-08-01

2020-08-01

精子是在滚动中前行的。
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精子是在滚动中前行的。

一直以来科学家在二维显微镜下俯视精子,就以为:精子是在左右摆动尾巴来前行。

精子“欺骗”了科学家300多年!研究显示:精子并非左右摆动前进

来源:Giphy

眼睛欺骗了我们。研究人员发现,人类精子运动并非此前的认识。最新的三维高速显微镜下,精子是在滚动中前行的。具体而言,精子头部旋转,尾部则绕着游泳轴滚动,如此实现了前行。
7月31日,这项研究发表在了《科学进展》(Science Advances)。研究者来自英国布里斯托大学和墨西哥国立自治大学。

精子“欺骗”了科学家300多年!研究显示:精子并非左右摆动前进

图 | 精子游泳的三维展示。(来源:POLYMATHS-LAB.COM)

旋转中移动的陀螺

300 多年前,显微镜之父、荷兰科学家列文虎克观察自己的精液,发现了精细胞,并且描述说,这些精子在像水蛇一样游动。几个世纪以来,科学家用显微镜从上方往下看,都得到了统一的结论:精子通过左右移动尾巴来游泳。

多年后,美国作家爱德华·多尼克在科普著作《生命之种》(The Seeds of Life)中记载了这个历史瞬间:1677 年一个秋日的夜晚,列文虎克和妻子正在做爱。他“高潮射精后不足几秒便立刻”跳起身来,带着精液样本直奔自己的显微镜。在显微镜下,列文虎克看到“数以千计沙粒般大小的活体微型动物正在游动”。

人类的精子在像水一样的低黏度液体中会疯狂地扭动,但在较粘稠的液体中,它们会以另一种波浪般的节奏游动。

精子尾巴长度只有头发的直径那么长,且结构复杂。研究人员采用先进的高速三维显微镜技术重建了精子的真实运动。这套系统中,高速相机每秒超过 55000 帧,显微镜载物台带有压电装置,可以极高速率来上下移动样品,只有如此,才能以三维方式扫描精子。

研究发现,精子头部在旋转,尾部也在旋转,而两个旋转是各自独立的。精子尾巴(鞭毛)其实是单侧摆动的,有点像水獭游泳,是滚动向前。这是一种非对称的游泳技术,有点类似地球在自转的同时绕着太阳公转一样,精子在头部旋转的同时,摆动尾巴来向前推进。另一个比喻则是旋转的陀螺,在旋转中发生位移。

墨西哥国立自治大学阿尔贝托·达斯宗(Alberto Darszon)博士说,这项研究将改变人们对精子活力和自然受精的理解。

据《科学在线》(LiveScience),英国谢菲尔德大学男科学教授艾伦·佩西(Allan Pacey)评价说,精子到达卵子的过程绝非简单的游泳,因为那是一个液体少得多的复杂环境。

女性的宫颈是粘稠的狭窄通道,输卵管则有起伏的细胞壁,精子还需应对肌肉收缩以及逆向的液体流动。佩西说,要在临床中使用三维显微镜,需要实现快速、便宜的自动化操作。

论文通讯作者之一、布里斯托大学数学生物学家赫耳墨斯·加德尔哈(Hermes Gadelha)表示,由于一半的不育症是男性因素引起的,那么这项研究有助于开发精子诊断工具以及识别不健康的精子。

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图 | 随着精子的位置变化,头部(红色)保持在游泳轴线上,随着尾巴(蓝色)旋转而前行。(来源:Science Advances)

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图 | 精子进入卵子。(来源:POLYMATHS-LAB.COM)

利用数学模型来研究精子

一个男人的一次射精大约有 5500 万个精子,这相当于伦敦或纽约人口的 6 倍,或者是上海人口的 2 倍。

然而,只有很少数的精子能通过女性的生殖道进入卵子。生殖道有复杂的化学和物理环境。精子必须能耐受阴道的酸性环境,要穿过厚厚的宫颈粘液屏障,在从子宫颈到输卵管的路上还有白细胞杀手,毕竟对于女性身体而言,精子是一种外来物质,甚至是一种可能带来疾病的物质。

加德尔哈一直在利用数学模型来研究精子。他们发现,人类精子尾巴有着精确的适应性,使其能够在宫颈粘液中游泳。他希望能够精确描述精子的运动。

加德尔哈出生于巴西,横跨数学逻辑、物理学、工程学和医学。在获得牛津大学数学博士学位后,他担任了剑桥大学的数学研究员,之后又回到牛津担任默顿学院讲师。2015 年到 2019 年担任约克大学应用数学讲师,目前是布里斯托大学助理教授。
精子是如何运动到达卵细胞的呢?早在 2017 年,加德尔哈根据精子的运动规律,写出一个神奇的数学公式,用于描述精子如何有节奏地穿过液体物质。

当人类精子细胞游动时,向前的动力来自精子细胞尾部的“连通弹簧”。这些“弹簧”可以传输机械信息,当它蠕动时可帮助它弯曲,从而实现运动前进。

当精子游动时,尾部不同部分是如何弯曲的呢?他们观察到,精子头部旋转时,尾部末端会有反方向的弯曲,这叫做逆倾向现象。

精子“欺骗”了科学家300多年!研究显示:精子并非左右摆动前进

图|精子的运动模式(来源:Science Advances)

关于精子运动的新认知,还可能给软机器人和人工智能研究带来洞见。毕竟,精子的运动是用它的身体进行计算,而不是用大脑。在加德尔哈看来,这正是很多工程师所追求的。

当然,随着观测仪器的进步,科学家可能会再一次发现,我们对精子运动的最新理解其实也有问题,但科学就是这样发展的。“我们的错误比以前少了,”加德哈说,“但相比未来,我们还是有更多错误认知。”

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