精子能長(zhǎng)多長(zhǎng)，竟是雌性說(shuō)了算？

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作為在生殖中承擔(dān)重要責(zé)任的細(xì)胞，精子一直備受關(guān)注。精子在形態(tài)和大小上的多樣性，一直讓人備感困惑。近期，一些科學(xué)家研究了3000多種動(dòng)物的生殖方式和精子長(zhǎng)度，他們證明了是雌性，而不是雄性的自負(fù)，導(dǎo)致了怪異的巨型精子的出現(xiàn)。

撰文 | Connor Lynch

翻譯 | 趙冰瑩

審校 | 石云雷

在人體中，似乎沒(méi)有細(xì)胞比精子更有雄心壯志了。它們?yōu)槌蔀橐粋€(gè)新的完整的有機(jī)體而準(zhǔn)備著，但也是唯一種要離開(kāi)自己家的細(xì)胞，并努力存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以完成繁殖。

為了做到這一點(diǎn)，精子進(jìn)化成為了最具有多樣性的細(xì)胞。雖然大多數(shù)人都會(huì)把它想象成一個(gè)微小的、有頭和長(zhǎng)尾巴、能游動(dòng)的細(xì)胞。但是，不同生物實(shí)際上已經(jīng)演化出不同的精子外觀。比如，甲殼類動(dòng)物介形蟲(chóng)（ostracods）的精子幾乎只有頭部。一些軟體動(dòng)物的精子擁有巨大的精子束（spermatozeugma），以幫助精子在受精時(shí)緊緊粘附在卵細(xì)胞上。

但相比于它們外表上的差異，更令人吃驚的是它們?cè)诖笮∩系牟町?。二裂果蠅（Drosophila bifurca）是其中最具代表性的例子。它來(lái)自北美，身長(zhǎng)約1厘米，但形成的精子卻可長(zhǎng)達(dá)7厘米。

二裂果蠅的精子 圖片來(lái)源：S. LüPOLD et al./NATURE 2016事實(shí)上，即使考慮到動(dòng)物的身體比例，二裂果蠅產(chǎn)生的精子依舊是世界最長(zhǎng)的。這使人類、黑猩猩、魚(yú)類、鯊魚(yú)甚至鯨魚(yú)的精子相形見(jiàn)絀。且二裂果蠅的精子也比其他能產(chǎn)生巨型精子的動(dòng)物的精子都大。除了二裂果蠅，其他一些無(wú)脊椎動(dòng)物能夠產(chǎn)生較大的精子，如蚰蜒屬（Scutigera）的蜈蚣以及大仰蝽屬（Notonecta）的仰泳蝽。

這些巨型精子的起源一直是個(gè)謎。但今年6月發(fā)表在《自然·生態(tài)學(xué)與進(jìn)化》的一項(xiàng)研究揭示，巨型精子出現(xiàn)以及精子具有多樣性的真正原因是雌性。

巨型精子的產(chǎn)生

這篇論文的合著者Ariel Kahrl是斯德哥爾摩大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家，她和同事想要了解精子進(jìn)化的方式和原因。這樣的研究可以解釋很多問(wèn)題，比如，為什么二裂果蠅的精子大小比它們的身體長(zhǎng)這么多？

Kahrl說(shuō)：“生物的精子在長(zhǎng)度上存在巨大差異，類似于一粒米和一輛列車的差別。很多人試圖通過(guò)觀察某些特定的群體來(lái)理解它的起源，比如研究鳥(niǎo)類、魚(yú)類和昆蟲(chóng)。但沒(méi)有人真正后退一步，嘗試在在一個(gè)更廣泛的框架上應(yīng)用進(jìn)化法則?！?/p>

他們?cè)僭O(shè)，采取體內(nèi)受精的動(dòng)物產(chǎn)生的精子，會(huì)比體外受精的生物的精子更大。此外，還有另一種可能性：相比于采取體外受精的動(dòng)物，采取體內(nèi)受精和拋灑式受精（將精子釋放到可被雌性吸收的環(huán)境中）的動(dòng)物的精子進(jìn)化的速度更快。這是因?yàn)檫@兩種受精方式讓精子與雌性的互動(dòng)更頻繁。他們還推測(cè)，體內(nèi)受精和拋灑式受精生物的精子長(zhǎng)度更加多樣化，這是因?yàn)榫訒?huì)進(jìn)化，以適應(yīng)雌性的生殖道。

在這項(xiàng)研究中，他們分析了來(lái)自21個(gè)動(dòng)物門的3000多個(gè)物種，從海綿動(dòng)物到節(jié)肢動(dòng)物再到脊索動(dòng)物(比如人類)。他們根據(jù)是否為脊椎動(dòng)物，以及不同的受精方法（包括體外受精、體內(nèi)受精和拋灑式受精）對(duì)動(dòng)物進(jìn)行了分類。然后他們構(gòu)建了一棵包含了所有物種的樹(shù)圖，并繪制了它們之間的連接圖來(lái)補(bǔ)充物種之間的關(guān)系，以避免結(jié)果出現(xiàn)偏差。

二裂果蠅與其他物種的精子比較 圖片來(lái)源：S. LüPOLD et al./NATURE 2016

“我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)我們的假設(shè)是正確的，”Kahrl表示。平均而言，采取體內(nèi)受精的動(dòng)物產(chǎn)生的精子的長(zhǎng)度是體外受精動(dòng)物的6倍左右。體內(nèi)受精和拋灑式受精動(dòng)物的精子進(jìn)化得更快，尺寸上更具有多樣性。

她補(bǔ)充道，在采取體內(nèi)受精的動(dòng)物中，幾乎所有產(chǎn)生巨型精子的都是無(wú)脊椎動(dòng)物。由于它們的身體足夠小，因此精子可以長(zhǎng)到足以取代彼此。想象一下，當(dāng)在一塊場(chǎng)地上有一群賽跑者在比賽，第一個(gè)跑到終點(diǎn)的人就能為整個(gè)團(tuán)隊(duì)贏得勝利。在一個(gè)小而擁擠的場(chǎng)地，精子大到有足夠大的施展空間才是最重要的；但當(dāng)在一個(gè)巨大的場(chǎng)地上時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員的數(shù)量越多，越能確保勝利。

雌性是首要決定因素

根據(jù)這項(xiàng)研究，進(jìn)化最快的精子往往與雌性生殖系統(tǒng)接觸最多。Kahrl表示，雌性生殖系統(tǒng)的大小和與之互動(dòng)的精子的大小是緊密相關(guān)的?？偟膩?lái)說(shuō)，這些因素表明是雌性推動(dòng)了精子進(jìn)化。

雪城大學(xué)研究精子的科學(xué)家Scott Pitnick解釋道：“這項(xiàng)研究是一個(gè)奇跡。研究人員所做的一切其實(shí)都很困難?！彼硎荆麄兠媾R的問(wèn)題本身可能相當(dāng)簡(jiǎn)單，但回答這些問(wèn)題卻十分困難。

直到最近，科學(xué)家才有可能梳理這個(gè)方向的許多研究論文，通過(guò)必要的計(jì)算處理能力，來(lái)進(jìn)行比較生物學(xué)研究。該團(tuán)隊(duì)還公開(kāi)了研究產(chǎn)生一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)，方便其他研究人員來(lái)利用他們的工作成果。

Pitnick表示，這項(xiàng)論文還強(qiáng)調(diào)了整個(gè)領(lǐng)域中最重要、但最少被問(wèn)及的問(wèn)題：精子是如何與雌性互動(dòng)的？他指出：“事實(shí)上，在生物學(xué)中，我們對(duì)雄性對(duì)精子的影響等有著詳細(xì)的了解，但并不了解雌性生殖道對(duì)精子的作用?！?/p>

畢竟，精子的目標(biāo)是在雌性的生殖道中找到正確的方向和快速移動(dòng)，使卵子受精。Pitnick稱，只在雄性體內(nèi)或顯微鏡下研究精子，而忽略雌性生殖系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)，就像是“研究比較生物學(xué)只研究動(dòng)物園的動(dòng)物”。他解釋道，因?yàn)楹鲆暳舜菩缘淖饔?，在傳統(tǒng)的精子質(zhì)量和數(shù)量的研究中，科學(xué)家總是傾向于后者。

更重要的是，精子往往在進(jìn)入雌性體內(nèi)后才能發(fā)育完全，這個(gè)過(guò)程也被稱為“射精后精子修飾”（Post-Ejaculatory Modifications to Sperm）。他表示，許多精子中的核心蛋白質(zhì)，比如一些參與代謝的蛋白都來(lái)自雌性。通過(guò)觀察整個(gè)動(dòng)物界中各種精子的修飾過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)了許多奇怪的現(xiàn)象，比如在雌性體內(nèi)，精子的長(zhǎng)度增加了10倍或者會(huì)進(jìn)行內(nèi)外翻轉(zhuǎn)。

“我們目前對(duì)雌性生物學(xué)仍缺乏很多了解，”Pitnick說(shuō)?！斑@篇論文提出了一個(gè)很好的觀點(diǎn) 。如果我們想要理解精子多樣性，就必須拋棄過(guò)去的偏見(jiàn)，把注意力轉(zhuǎn)向雌性生物學(xué)。”

原文鏈接：

https://www.discovermagazine.com/planet-earth/why-fruit-flies-won-natures-prize-for-longest-sperm

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41559-021-01488-y

《環(huán)球科學(xué)》