精子欺騙了科學家350年-刷新你對精子的認知

精子欺騙了科學家350年-他們旋轉而不遊泳

精子對於我們星球上幾乎所有生物體（包括人類）的受精至關重要。為了繁殖，人類的精子必須遊到相當於爬珠穆朗瑪峰才能找到卵的距離。他們只需搖晃尾巴，移動液體向前遊泳即可完成這一史詩般的旅程。儘管超過5000萬精子無法到達卵子-相當於倫敦或紐約總人口的六倍多，但只需要一個精子就可以使卵最終受精成為人類。

精子最早於1677年被發現-但是科學家花了大約200年的時間才同意人類是如何形成的。「預成型主義者」認為，每個精子都包含一個微小的微型人-人體。他們認為卵只是為精子的生長提供了空間。

另一方面，「表觀遺傳學家」認為，男性和女性都有助於形成新生物，並且在1700年代的發現為該理論提供了更多證據。儘管科學家現在更好地理解了精子在生殖中的作用，但我們的最新研究發現，精子實際上一直在欺騙著科學家。

Antonievan Leeuwenhoek在17世紀發明了最早的顯微鏡之一。他使用一滴熔融玻璃，將其仔細研磨和拋光，以製造出強大的鏡片。其中一些可以將對象放大270倍。值得注意的是，一個更好的鏡頭在200多年內沒有創造出來。

Leeuwenhoek的鏡片使他成為微觀世界的第一個探索者，能夠看到包括細菌，我們的細胞內部以及精子在內的物體。當Leeuwenhoek首次發現精子時，他將其形容為「有生命的動物 」，帶有「尾巴，當遊泳時，它會像蛇一樣在水中a動，像蛇一樣鞭打睫毛。」

令人驚訝的是，此後，我們對精子遊動的看法一直沒有改變。如今，使用現代顯微鏡的任何人都仍然可以觀察到相同的結果：精子通過左右擺動尾巴向前遊動。但是，正如我們的最新研究表明，在過去350年中，我們對於精子的遊動實際上是錯誤的。

來自英國和墨西哥的研究人員使用最先進的3D顯微鏡技術，可以數學方式重建3D精子尾巴的快速運動。精子的大小不僅使它們難以學習-尾巴僅測量頭髮的一半寬度-而且速度也很快。

他們的尾巴像鞭子一樣的動作，可以在不到一秒鐘的時間內跳動20多次遊泳。我們需要一臺超快速攝影機，該攝影機可以在一秒鐘內記錄下來55,000張照片，並以快速振蕩的方式上下移動，以極高的速率上下移動樣本–有效掃描精子尾巴，同時以3D方式自由遊泳。

我們的發現使我們感到驚訝。我們發現，精子的尾巴實際上是眨眼的，只在一側擺動。雖然這應該意味著精子的單側中風會讓它繞圈遊泳，但精子發現了一種適應和向前遊泳的聰明方法：它們在遊泳時會滾動，就像水獺在水中開瓶器一樣。通過這種方式，當精子滾動時，單調的單側衝程變得平穩，從而使其向前移動。

從2D顯微鏡的上方看時，精子快速而高度同步的旋轉會產生錯覺-尾巴似乎有左右移動的趨勢。但是，這一發現表明，精子已經開發出一種遊泳技術來彌補其偏側性。通過這樣做，他們還巧妙地解決了一個數學難題：通過從非對稱中創建對稱。

精子在尾巴圍繞遊泳方向旋轉的同時旋轉。精子通過圍繞自身旋轉而像旋轉的陀螺一樣「鑽」入流體，而其傾斜軸圍繞中心旋轉。這在物理學上被稱為歲差，就像我們星球上的春分點歲差一樣。

如今，無論是在診所還是在研究中，都使用計算機輔助精液分析（CASA）系統，仍然使用精子運動的2D視圖。像Leeuwenhoek的第一臺顯微鏡一樣，它們在評估精液質量時仍然容易出現這種對稱性錯覺。對稱性（或缺乏對稱性）是一種可能影響生育力的特徵。

精子尾部的科學故事遵循其他研究領域的路線：對精子運動的理解的高度依賴於顯微鏡技術，記錄技術以及現在的數學建模和數據分析技術的發展。今天開發的3D顯微鏡技術幾乎肯定會改變我們將來分析精液的方式。

這項最新發現結合了3D顯微鏡技術和數學的新穎運用，可能為解鎖人類繁殖的秘密提供新的希望。由於男性因素造成的不孕症超過一半，因此，了解人類的精子尾巴對於將來確定不健康精子並提高生育能力的診斷工具至關重要。

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