受精需移動15厘米，人類精子到底如何推進？科學家被騙了300多年

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

考慮到精子是動物最小的細胞之一——人類精子從頂體到末端的長度差不多只有50微米左右，移動超過15厘米不是一件容易的事。

事實上，不僅距離上對精子來說很遙遠，在15厘米的旅程中還有各種“誘殺裝置”，因為精子對于女性來說是異物會自然地被防御。

其中包括宮頸粘液困住精子、白細胞吞噬精子等等，當每次數(shù)以億計的精子同時出發(fā)時，真正能到達目的地——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的呢？它又是怎么獲得能量來讓自己持續(xù)推進呢？

關于精子的“游動”有一些非常有趣的故事，所以必須給它單獨拎出來說說，這玩意足足愚弄了科學家300多年。

精子如何欺騙科學家300多年？

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

圖：列文虎克

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

當時人們并不認為這是人類的生殖細胞，實際上列文虎克認為它們是一種寄生動物（估計他第一次看到自己的這些的時候嚇得不輕），并專門為此創(chuàng)造了一個名詞“spermatozoa”（現(xiàn)在翻譯成精子動物）來描述這種“生物”。

圖：當時人們以為精子頂體中住著小人

在精子發(fā)現(xiàn)后的很長一段時間里，其實人們都不知道這種細胞是干嘛用的，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，他瞬間感覺自己領悟到了“上帝的秘密”，他第一次定義了精子的作用，認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，這位仁兄無法解釋為什么那么多進去最后卻只有一個或者兩個出來。

人們對哺乳動物生殖的秘密直到1827年才算有一點點了解，因為這一年科學家發(fā)現(xiàn)了卵子（尋找卵子是很難的，因為它的數(shù)量非常有限），而到了1876年，科學家才總算觀察到精子和卵子融合，哺乳動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很有一套。

在那個沒有相機的年代，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言同時描述了精子是如何移動的——它就像是蝌蚪或者魚一樣通過左右甩動尾部來讓自己前進。

精子以這種形式（擺動尾部）移動估計符合我們幾乎所有人的刻板印象，因為我們大部分接觸到的科普讀物通常就是這么描述的。

直到最近（2020年），墨西哥國立自治大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，原來精子并不是這樣擺動尾部來“游動”的，它實際上是以一種旋轉鉆洞的形式在運動。

墨西哥國立自治大學的研究人員采用一個帶有壓電裝置的3D顯微鏡，以及一臺一秒鐘能夠記錄超過55000幀的高速相機，3D掃描了自由游動的精子，然后以數(shù)學方法構建了精子的運動方式（如下圖）[1]

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

實際上，由于精子快速且高度同步的旋轉——一秒完成20次旋轉，用2D顯微鏡觀察是無法正確認識它們的運動方式的——只會看到左右擺動，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家足足300多年。

為什么精子是旋轉？

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

左右擺動的游動姿勢適合在一些容易游動的液體中推進，而精子想要完成受精需要面對的環(huán)境非常復雜。

在同一趟旅程中，它們都需要面對多種環(huán)境，時而是粘稠的完全無法推進的情況，時而是潤滑的，時而又干脆是干燥的，所以像陀螺一樣旋轉會比擺動推進好用許多。

另外，這項研究還發(fā)現(xiàn)，人類精子的尾巴實際上是不平衡的，只在一側擺動，這意味著它里應該由于單側擺動而原地轉圈圈才是。

但是精子找到了一種自適應，它們在游動時滾動，頂體也跟著尾巴旋轉的方向轉動，這個方式正好可以抵消單側擺動造成的不對稱。

我查閱到2019年的一項研究還發(fā)現(xiàn)，哺乳動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動方式。

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

其實，這個也是精子高度特化的一部分。

我們知道細胞活動的能量主要來自線粒體——這個被稱為細胞的能量工廠，精子的體積雖然小，但是它們卻擁有非常多的線粒體，它就像是一個個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”的就是它們的活動場所，只有在那里它們有機會存活長達5天以上，而在其它環(huán)境中精子都會快速失活。

圖源：biologyonline

最后，我們再來說一個關于精子廣為流傳的誤解吧，我們許多人應該都聽說過跑得最快的一枚精子才有機會完成受精，所以我們每個人從出生開始就已經在數(shù)以億計的競爭中贏過一次了。

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