受精需移动15厘米，人类精子到底如何推进？科学家被骗了300多年

人类精子从出发到达输卵管中并与卵子完成受精，通常来说它们需要移动15厘米到18厘米的距离。

考虑到精子是动物最小的细胞之一——人类精子从顶体到末端的长度差不多只有50微米左右，移动超过15厘米不是一件不容易的事。

事实上，不仅距离上对精子来说很遥远，在15厘米的旅程中还有各种“诱杀装置”，因为精子对于女性来说是异物会自然地被防御。

其中包括宫颈粘液困住精子、白细胞吞噬精子等等，当每次数以亿计的精子同时出发时，真正能到达目的地——接触卵子的只有200枚左右。

©quapan/Flickr

那么有趣的问题是，精子到底是如何移动的呢？它又是怎么获得能量来让自己持续推进呢？

关于精子的“游动”有一些非常有趣的故事，所以必须给它单独拎出来说说，这玩意足足愚弄了科学家300多年。

精子如何欺骗科学家300多年？

1677年，光学显微镜之父荷兰科学家列文虎克在改进了显微镜之后，他通过这种显微镜仔细观察了自己的精子，这是人类第一次看到精子。

据列文虎克的描述，他看到巨量的“微生物”，这些“生物”每个都有肿大的头部和几乎透明的长尾巴，它们充满活力，不停像蛇一样蠕动，以及就像水中的鳗鱼一样。

当时人们并不认为这是人类的生殖细胞，实际上列文虎克认为它们是一种寄生动物（估计他第一次看到自己的这些的时候吓得不轻），并专门为此创造了一个名词“spermatozoa”（现在翻译成精子动物）来描述这种“生物”。

在精子发现后的很长一段时间里，其实人们都不知道这种细胞是干嘛用的，在1695年，同为荷兰人的尼古拉斯·哈特索克在观察了精子之后，他瞬间感觉自己领悟到了“上帝的秘密”，他第一次定义了精子的作用，认为精子里面住着小人，然后这些小人在女性的肚子里发育成更大的人，这就是生育的全部。

但尴尬的是，这位仁兄无法解释为什么那么多进去最后却只有一个或者两个出来。

人们对哺乳动物生殖的秘密直到1827年才算有一点点了解，因为这一年科学家发现了卵子（寻找卵子是很难的，因为它的数量非常有限），而到了1876年，科学家才总算观察到精子和卵子融合，哺乳动物生殖的秘密才算是拨开云雾见明月。

我们回到列文虎克发现精子的话题，虽然他不知道这些“生物”是干嘛的，但是他在描述显微镜下的生物绝对很有一套。

在那个没有相机的年代，列文虎克甚至纯手工绘制了精子的画像（上图），并且第一次通过图像和语言同时描述了精子是如何移动的——它就像是蝌蚪或者鱼一样通过左右甩动尾部来让自己前进。

精子以这种形式（摆动尾部）移动估计符合我们几乎所有人的刻板印象，因为我们大部分接触到的科普读物通常就是这么描述的。

直到最近（2020年），墨西哥国立自治大学的研究人员发现，原来精子并不是这样摆动尾部来“游动”的，它实际上是以一种旋转钻洞的形式在运动。

墨西哥国立自治大学的研究人员采用一个带有压电装置的3D显微镜，以及一台一秒钟能够记录超过55000帧的高速相机，3D扫描了自由游动的精子，然后以数学方法构建了精子的运动方式（如下图）[1]

这项研究于2020年7月31日发表在《科学进展》杂志上，其研究人员Gadêlha在接受采访的时候表示：精子根本没有游泳，它只是不断地钻进液体中。

实际上，由于精子快速且高度同步的旋转——一秒完成20次旋转，用2D显微镜观察是无法正确认识它们的运动方式的——只会看到左右摆动，而现代研究通常都是用2D显微镜，所以精子就一直这样愚弄了科学家足足300多年。

为什么精子是旋转？

精子是高度特化的细胞，这意味着它们承受着巨大的进化压力，它们的一切特征只有一个目的，就是完成受精。

左右摆动的游动姿势适合在一些容易游动的液体中推进，而精子想要完成受精需要面对的环境非常复杂。

在同一趟旅程中，它们都需要面对多种环境，时而是粘稠的完全无法推进的情况，时而是润滑的，时而又干脆是干燥的，所以像陀螺一样旋转会比摆动推进好用许多。

另外，这项研究还发现，人类精子的尾巴实际上是不平衡的，只在一侧摆动，这意味着它里应该由于单侧摆动而原地转圈圈才是。

但是精子找到了一种自适应，它们在游动时滚动，顶体也跟着尾巴旋转的方向转动，这个方式正好可以抵消单侧摆动造成的不对称。

我查阅到2019年的一项研究还发现，哺乳动物精子顶体部分都是螺旋状的，就像是螺丝一样[2]，这正好符合精子的运动方式。

那么，还有一个问题，既然精子这么小，它们又得如此吃力地钻洞前行，那么它们的能量来自哪里。

其实，这个也是精子高度特化的一部分。

我们知道细胞活动的能量主要来自线粒体——这个被称为细胞的能量工厂，精子的体积虽然小，但是它们却拥有非常多的线粒体，它就像是一个个小电池一样给精子供能。

这些线粒体就集中在精子的中段部分，而且为了充分利用空间，科学家发现这些线粒体是螺旋状的。

而给这些线粒体提供“燃料”的就是它们的活动场所，只有在那里它们有机会存活长达5天以上，而在其它环境中精子都会快速失活。

图源：

最后，我们再来说一个关于精子广为流传的误解吧，我们许多人应该都听说过跑得最快的一枚精子才有机会完成受精，所以我们每个人从出生开始就已经在数以亿计的竞争中赢过一次了。

但是实际上并不是如此，越来越多的证据已经表明，跑得（或者钻得最快）最快的精子只会最早遇到卵子而已，而卵子有最终的选择权，它们会在几百甚至上千枚完成比赛的精子中选择一枚[3]。