被误会了三百年的“小蝌蚪”：这才是精子真正的游动方式

被误会了三百年的“小蝌蚪”：这才是精子真正的游动方式 | 多图预警

2020 年 8 月 4 日 学术头条

【导读】300年前，列文虎克在显微镜下观察到2D精子游动图像，使得人们一直以来都以为精子靠其尾部左右摆动着前行。然而一项新的研究通过3D显微镜却发现，精子真正的游动方式，应是呈螺旋波形滚动前进。文末有视频哦。

我们知道，每个人都从受精卵发育而来：几千万个形似蝌蚪的精子，一出生就注定踏入赛道，争先恐后的当那个“最优解”，而后到达“终点”、获得奖赏---与卵细胞结合，孕育出生命的奇迹。

然而，在这一看似属于“常识”的过程中，却有一个长期被人们误解的奇怪知识，那就是---万员赛跑时，精子究竟是如何向前游动的？

让我猜一猜，你脑海里浮现的画面是不是这样的？

恭喜您，回答错误。

近日，一项发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的研究打破了关于精子“游动”的普遍观点，认为小蝌蚪们前进时，并非靠对称性的二维摆动（如图a)，而是不对称的螺旋式三维前进(如图b)！

图a 海鳗游泳时的二维摆动

图b 海獭游泳时的三维旋转

从 2D 到 3D：跨越三个世纪的精子研究

300 多年以来，科学家一直认为人类精子通过左右对称的方式摆动尾巴（鞭毛）来游泳。但其实，这一结论并不正确，因为我们一直在用 2D 显微镜观察它们。

1677 年，荷兰人安东·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）在显微镜下首次观察到人类精子活细胞（其实是列文虎克本人新鲜出炉的精子）。科学家后来称它们为“蛇状运动，像水中的鳗鱼”，而且这种观点一直持续到现在，甚至成为“常识”。

然而此次，由布里斯托大学等组成的研究团队，使用最先进的 3D 显微镜和数学技术，率先重建了精子尾部的 3D 真实运动。

他们使用了一架每秒拍摄超过 55000 帧的高速相机，配合带有压电装置的显微镜载物台，以极高的速率上下移动样品，由此拍摄了精子自由游动的 3D 图像。

由此，研究人员得出结论：精子游动时，其头部并非固定不动，而是会转圈（如同地球自转），其尾部（鞭毛）也并非在同一水平面上摆动，而是如同螺丝那样旋转着前进。

论文作者之一、布里斯托大学工程数学系 Polymaths 实验室的负责人、生育数学专家Gadelha 博士说：“用 2D 显微镜从上方观察时，精子快速、规律的旋转会导致一种错觉，让我们觉得精子的尾巴似乎具有左右对称的运动，就像‘水中的鳗鱼’。”

但是，Gadelha 说：“想象一下你只能用一条腿游泳—，在没有手臂帮助平衡身体时，你一定会绕着圈子游，但是如果你游泳时从一边旋转到另一边，你就可以平衡划水的不对称性。”

聪明的精子：转着转着就前进了

现在我们知道，精子会绕着圈游动，但问题是，如果是绝对的对称绕圈，精子只能在原地打转，不可能快速向前移动。但人类精子似乎很聪明，它们已经巧妙地找到了向前游动的方法。

为了揭示了精子边转圈边前进的奥秘，Gadelha 领导的研究团队首先利用（x,y,z）轴将精子的 3D 运动切分为两个平面：z 平面和 b 平面。而后利用计算机辅助，记录下不同平面下的运动波形。

通过分析这些波形，研究人员发现， 两个平面的鞭毛特征呈现出各向异性，也就是说，精子尾部（鞭毛）的摆动并非一一对称，因而不会形成完美对称的标准螺旋转动。

而更加巧妙的是，研究人员发现，b 平面的波能够让鞭毛朝一侧逆时针摆动，属于行波，而 z 平面上的属于驻波。行波让精子能往一侧转动，驻波给与了鞭毛均匀旋转的能力，保证每一次转动力能分散到每一个平面。

两种波形并不对称和一致，但它们相互合作才能推动精子往前行进。

正如 Gadelha 博士所说：“我们的发现表明，精子已经找到了一种游动模式来平衡它们的单向摆动，并且通过在非对称性中创造对称性，巧妙地解决了微观尺度的数学难题。”

“然而，人类精子的旋转像水獭一样，非常复杂：在精子尾巴围绕游动方向旋转的同时，精子头也在旋转。这在物理学上被称为进动，就像地球和火星的轨道绕着太阳进动一样（天文学中称为岁差）。”

精子游动：趣味还是科研？

看到这里，可能有人会问了：现在我们知道了精子确切的游动方式，又有什么价值呢？

实际上，这项发现开创性地结合了 3D 显微镜技术和数学，可能为揭开人类生殖的秘密带来新的希望。

Darszon 博士说，“这项发现将彻底改变我们对精子活力及其对自然受精影响的理解。对于女性生殖道内复杂的环境，以及精子游动如何影响受精，我们仍然知之甚少。这些新工具使我们看到了精子具有的惊人能力。”

论文作者之一的 Corkidi 博士也说道：“这真是令人难以置信的惊喜，我们相信先进的 3D 显微镜技术将揭示自然界中更多的秘密。有朝一日，这项技术将可用于临床中心。”

最后，让我们一起欣赏下精子的游动视频吧！

资料来源：
https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168
https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/imaging/spermatowhoaa-human-sperm-dont-swim-like-we-thought
https://www.newscientist.com/article/2250415-sperm-have-a-weird-way-of-swimming-and-we-only-noticed-after-300-years/
https://eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uob-hhs072420.php