精子「欺騙」了我們300多年！並非像「小蝌蚪」左右擺動前進

人類精子是怎樣遊動的？三百多年來，科學家也可能被2D顯微鏡下的這類視野給欺騙。學界一直以為精子像蝌蚪或鰻魚那樣擺動尾巴前進。最近一項研究藉助先進的高速攝影技術，發現這種印象其實是一種視錯覺，精子的運動方式實際上要更加複雜：它們的尾巴朝向一側擺動，頭部旋轉前進，平衡了尾部運動的不對稱。被戲稱為人類最早的浪漫「鑽頭」。

三百多年前的1677年，作為最早使用顯微鏡的人之一，列文虎克在顯微鏡下，看到精液中有一些運動著的「微生物」。他如此描述：

它們每一隻都有一個鈍的頭，身體很長，拖著一條幾乎幾乎透明的尾巴。它們各自推動著自己前進，像一條蛇在移動，或者是一條泥鰍在水裡遊泳。

1677年一個秋日的夜晚，列文虎克和妻子正Making love。他「高潮射精後不足幾秒便立刻」跳起身來，帶著精液樣本直奔自己的顯微鏡。在顯微鏡下列文虎克看到「數以千計沙粒般大小的活體微型動物正在遊動」。他並沒有告知英國皇家學會他的妻子對這項驚人發現做何感想。

一向高調發布研究成果的列文虎克，這次卻選擇低調行事。他提醒皇家學會這是他們的授意，而非他自己的本意。他還很反常地專門指出，這次實驗樣本是通過「正常夫妻性交」而非「不道德的自慰」獲得的。除了這些預防措施，列文虎克在信中寫道，他承認自己的觀察可能會讓人感到「噁心或傷風敗俗」。他讓皇家學會全權決定是公布還是銷毀這次研究結果。

此後的數百年間，生物學家對精子的認識逐漸有了質的提升，從一開始精子頭部自帶著新生兒的荒誕想法，到後來確定其攜帶了一半遺傳物質並且會與卵子結合，再到如今確定動力蛋白能夠給精子尾巴提供動力，激素能影響精子活動性等各種分子機制。人類探索到了越來越多關於這種「微生物」的秘密。

Antony van Leeuwenhoek 安東尼·凡·列文虎克（1632-1723）

儘管一些細胞和分子層面的知識在不斷被刷新，但有一點，似乎絕大多數科學家都很少懷疑過，那就是最簡單的形態學知識——精子能夠通過擺動尾巴獲得前進的動力，並且尾巴的對稱性擺動方式類似於鰻魚，也就是左右對稱擺動前進。這一點，只要在顯微鏡下觀察過精子的科學家都不會質疑。

並且，由於2D顯微鏡下觀察到人類精子遊動時，尾部擺動產生的波形是對稱的，科學家曾推測在理想化的3D條件下，精子尾部的運行軌跡產生的波形應該也是對稱的，就像我們平時開葡萄酒瓶的開瓶器一樣。

過去科學家認為，3D條件下精子的遊動應該是這種很對稱的螺旋

布裡斯託大學（University of Bristol）的 Hermes Gadelha 博士、墨西哥國立自治大學（Universidad Nacional Autonoma de Mexico）的 Gabriel Corkidi 博士和 Alberto Darszon 博士採用最先進的 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 55 000 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，拍攝了精子自由遊動的 3D 圖像。

這項研究發表在Science Advances《科學進展》雜誌上，題為「Human sperm uses asymmetric and anisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering」，研究揭示了精子的尾巴實際上是擺動的，並且只朝一側擺動。側向擺動似乎意味著精子只能繞圈遊動，但精子已經巧妙地適應了這種方式，並找到了向前遊動的方法。

論文作者之一 Gadelha 博士也是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，他說：「人類的精子在遊動時會同時滾動，就像在水裡嬉戲的水獺一樣螺旋前進，這能夠平衡它們的單邊前進的情況，從而向前遊動。」

這一結果也刷新了人類過去的認知：人類精子不是像海鰻一樣對稱性地擺動鞭毛，而是像海獺一樣的旋轉式遊動——頭部往一側擺動旋轉，與此同時鞭毛也會跟著旋轉，也就是一種旋進過程，而這個過程並不是2D看到的對稱性遊動。

2D觀測下，會誤以為人類精子像海鰻一樣左右（上下）擺動遊動

實際上，精子遊動方式類似海獺，頭部旋轉，身體（精子尾巴）同時旋轉。

研究一共觀測了30條【自由遊動】的精子，從頭部正面的角度看，其中28個精子細胞（頭部）都會沿著一根軸進行逆時針轉動，鞭毛（尾巴）會以遊動方向為軸進行同步旋轉。（這裡為什麼要強調「自由遊動」，因為現在的主流觀察方式——拴菌實驗會固定精子的鞭毛，這會導致精子頭部和鞭毛無法轉動，因此加劇了誤解程度）

在3D條件下，科學家能通過多個平面來觀測精子以及鞭毛的擺動方式和波形。根據（x,y,z）軸組成的多平面來看，鞭毛的轉動在各平面產生的擺動特徵都是各異的，例如在「b」平面和「z」平面上，鞭毛特徵就明顯不一樣，顯示出各向異性，也就是3D條件下，鞭毛的擺動並不是一一對稱的，其在各個平面的表現並不一致，也不會形成完美對稱的標準螺線轉動。

而之所以之前會誤認為精子的擺動是對稱的，就是2D觀測時只能看到一個平面的信息，這種平面會給予觀測者一種對稱錯覺。（見下圖所示）

示意圖顯示，2D觀測下的一個平面會怎樣誤解精子的遊動方式

Corkidi 博士和 Darszon 博士開創了這項用於觀察精子遊動的 3D 顯微鏡技術。Corkidi 博士說：「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。」

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。」

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168

原文連結：

https://eurekalert.org/emb_releases/2020-07/uob-hhs072420.php

來源：環球科學、科研圈、列文虎克生平