被誤會了三百年的「小蝌蚪」：這才是精子真正的遊動方式
2020-08-04 學術頭條【導讀】300年前，列文虎克在顯微鏡下觀察到2D精子遊動圖像，使得人們一直以來都以為精子靠其尾部左右擺動著前行。然而一項新的研究通過3D顯微鏡卻發現，精子真正的遊動方式，應是呈螺旋波形滾動前進。文末有視頻哦。
我們知道，每個人都從受精卵發育而來：幾千萬個形似蝌蚪的精子，一出生就註定踏入賽道，爭先恐後的當那個「最優解」，而後到達「終點」、獲得獎賞---與卵細胞結合，孕育出生命的奇蹟。
然而，在這一看似屬於「常識」的過程中，卻有一個長期被人們誤解的奇怪知識，那就是---萬員賽跑時，精子究竟是如何向前遊動的？
讓我猜一猜，你腦海裡浮現的畫面是不是這樣的？
恭喜您，回答錯誤。
近日，一項發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上的研究打破了關於精子「遊動」的普遍觀點，認為小蝌蚪們前進時，並非靠對稱性的二維擺動（如圖a)，而是不對稱的螺旋式三維前進(如圖b)！
圖a 海鰻遊泳時的二維擺動
圖b 海獺遊泳時的三維旋轉
從 2D 到 3D：跨越三個世紀的精子研究
300 多年以來，科學家一直認為人類精子通過左右對稱的方式擺動尾巴（鞭毛）來遊泳。但其實，這一結論並不正確，因為我們一直在用 2D 顯微鏡觀察它們。
1677 年，荷蘭人安東·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）在顯微鏡下首次觀察到人類精子活細胞（其實是列文虎克本人新鮮出爐的精子）。科學家後來稱它們為「蛇狀運動，像水中的鰻魚」，而且這種觀點一直持續到現在，甚至成為「常識」。
然而此次，由布裡斯託大學等組成的研究團隊，使用最先進的 3D 顯微鏡和數學技術，率先重建了精子尾部的 3D 真實運動。
他們使用了一架每秒拍攝超過 55000 幀的高速相機，配合帶有壓電裝置的顯微鏡載物臺，以極高的速率上下移動樣品，由此拍攝了精子自由遊動的 3D 圖像。
由此，研究人員得出結論：精子遊動時，其頭部並非固定不動，而是會轉圈（如同地球自轉），其尾部（鞭毛）也並非在同一水平面上擺動，而是如同螺絲那樣旋轉著前進。
論文作者之一、布裡斯託大學工程數學系 Polymaths 實驗室的負責人、生育數學專家Gadelha 博士說：「用 2D 顯微鏡從上方觀察時，精子快速、規律的旋轉會導致一種錯覺，讓我們覺得精子的尾巴似乎具有左右對稱的運動，就像『水中的鰻魚』。」
但是，Gadelha 說：「想像一下你只能用一條腿遊泳—，在沒有手臂幫助平衡身體時，你一定會繞著圈子遊，但是如果你遊泳時從一邊旋轉到另一邊，你就可以平衡划水的不對稱性。」
聰明的精子：轉著轉著就前進了
現在我們知道，精子會繞著圈遊動，但問題是，如果是絕對的對稱繞圈，精子只能在原地打轉，不可能快速向前移動。但人類精子似乎很聰明，它們已經巧妙地找到了向前遊動的方法。
為了揭示了精子邊轉圈邊前進的奧秘，Gadelha 領導的研究團隊首先利用（x,y,z）軸將精子的 3D 運動切分為兩個平面：z 平面和 b 平面。而後利用計算機輔助，記錄下不同平面下的運動波形。
通過分析這些波形，研究人員發現，兩個平面的鞭毛特徵呈現出各向異性，也就是說，精子尾部（鞭毛）的擺動並非一一對稱，因而不會形成完美對稱的標準螺旋轉動。
而更加巧妙的是，研究人員發現，b 平面的波能夠讓鞭毛朝一側逆時針擺動，屬於行波，而 z 平面上的屬於駐波。行波讓精子能往一側轉動，駐波給與了鞭毛均勻旋轉的能力，保證每一次轉動力能分散到每一個平面。
兩種波形並不對稱和一致，但它們相互合作才能推動精子往前行進。
正如 Gadelha 博士所說：「我們的發現表明，精子已經找到了一種遊動模式來平衡它們的單向擺動，並且通過在非對稱性中創造對稱性，巧妙地解決了微觀尺度的數學難題。」
「然而，人類精子的旋轉像水獺一樣，非常複雜：在精子尾巴圍繞遊動方向旋轉的同時，精子頭也在旋轉。這在物理學上被稱為進動，就像地球和火星的軌道繞著太陽進動一樣（天文學中稱為歲差）。」
精子遊動：趣味還是科研？
看到這裡，可能有人會問了：現在我們知道了精子確切的遊動方式，又有什麼價值呢？
實際上，這項發現開創性地結合了 3D 顯微鏡技術和數學，可能為揭開人類生殖的秘密帶來新的希望。
Darszon 博士說，「這項發現將徹底改變我們對精子活力及其對自然受精影響的理解。對於女性生殖道內複雜的環境，以及精子遊動如何影響受精，我們仍然知之甚少。這些新工具使我們看到了精子具有的驚人能力。」
論文作者之一的 Corkidi 博士也說道：「這真是令人難以置信的驚喜，我們相信先進的 3D 顯微鏡技術將揭示自然界中更多的秘密。有朝一日，這項技術將可用於臨床中心。」
資料來源：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
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