摘要:精子对地球上几乎每一种生物的受精至关重要,包括人类。为了繁殖,人类精子必须游一段相当于攀登珠穆朗玛峰的距离才能找到卵子。(全文约1618字,阅读大概需要6分钟。)

三维空间重建了精子尾部的真实运动

精子对地球上几乎每一种生物的受精至关重要,包括人类。为了繁殖,人类精子必须游一段相当于攀登珠穆朗玛峰的距离才能找到卵子。

它们完成这段史诗般的旅程,只需摇动尾巴,移动流体向前游动。尽管超过5000万的精子无法到达卵子(相当于伦敦或纽约总人口的6倍多),但它只需要一个精子就可以使一个最终成为人类的卵子受精。

精子最早于1677年被发现,但科学家们花了大约200年的时间才就人类的实际形成方式达成一致。

“预成型论者”认为每一个精子都含有一个微小的、微型化的人——侏儒。他们认为卵子只是为精子提供了生长的场所。

另一方面,“后生论者”认为男性和女性都有助于形成一个新的存在,而18世纪的发现为这一理论提供了更多的证据。

虽然科学家们现在更了解精子在生殖过程中的作用,但我们最新的研究发现,精子实际上一直在愚弄科学家。

最早的显微镜之一是17世纪安东尼范列文虎克发明的。他用一团熔化的玻璃仔细研磨抛光,制成一个强大的镜头。其中一些可以将物体放大270倍。值得一提的是,整整200多年的时间里都没有制作出一个比它更好的镜头。

列文虎克的镜片使他成为第一个探索微观世界的人,能够看到包括细菌、细胞内部和精子在内的物体。当列文虎克第一次发现精子时,他把它描述为一种“有生命的动物”,有一条尾巴,当游泳时,尾巴像蛇一样摆动,就像水中的鳗鱼。

令人吃惊的是,我们对精子如何游动的看法从那时起就没有改变。如今,任何使用现代显微镜的人都会做出同样的观察:精子通过左右摆动尾巴向前游动。

但正如我们最新的研究所显示的,在过去的350年里,我们对精子的游动方式实际上是错误的。

我们来自英国和墨西哥的研究团队利用最先进的3D显微镜技术,能够在3D数学上重建精子尾部的快速运动。不仅精子的大小使其难以研究——它的尾巴仅半根头发的宽度——而且它们的速度也很快。

它们的尾巴像鞭子一样的运动能在不到一秒钟内击打超过20次泳姿。我们需要一个能够在一秒钟内记录超过55000张照片的超高速相机,安装在快速振荡的阶段,以难以置信的高速度上下移动样本——在三维空间中自由游动的同时有效地扫描精子尾部。

我们的发现令我们吃惊。我们发现精子的尾巴实际上是摇摇欲坠的,只是在一边摆动。

虽然这意味着精子的单侧划水会让它在水中绕圈子游动,但精子已经找到了一种巧妙的适应和向前游的方法:它们在游泳时滚动,就像水獭在水里螺旋钻一样。这样一来,当精子滚动时,这种不稳定的单侧摆动就变得平衡了。

当用二维显微镜从上面看到精子快速而高度同步的旋转时,会产生一种错觉——尾巴似乎有一个左右移动。

然而,这一发现表明,精子已经发展出一种游泳技术来弥补其畸形。在这样做的同时,他们也巧妙地解决了一个数学难题:从不对称中创造出对称。

精子体旋转的同时尾巴也绕着游动方向旋转。精子像旋转的陀螺一样“钻”进液体中,它的倾斜轴绕着中心旋转。这在物理学中被称为岁差,很像我们星球上的岁差。

计算机辅助精液分析(CASA)系统,目前在临床和研究中使用,仍然使用精子运动的二维视图。就像列文虎克的第一台显微镜一样,他们在评估精液质量时仍然容易产生这种对称的错觉。对称性(或缺乏对称性)是影响生育能力的一个重要特征。

精子尾部的科学故事遵循着其他所有研究领域的路线:理解精子运动的进展高度依赖于显微镜技术、记录技术以及现在的数学模型和数据分析技术的发展。

今天发展起来的3D显微镜技术几乎肯定会改变我们未来分析精液的方式。

这项最新发现,以其新颖的3D显微镜技术与数学相结合的应用,可能为揭开人类生殖的秘密提供新的希望。由于超过一半的不孕是由男性因素引起的,了解人类精子的尾部是未来识别不健康精子和提高生育能力的基本诊断工具。

本文译自 sciencealert,由译者 Lancelot 基于创作共用协议(BY-NC)发布。