精子遊動的秘密:尾部具有強化層做出強有力擺動

一項新研究發現，人類精子在遊向卵子的過程中能利用尾部獲得力量。來自英國的研究人員發現，健康精子的尾部覆蓋著一個強化層，這使它們能夠做出強有力且有節奏地擺動尾部，從而衝破宮頸的黏液屏障。這些研究結果或許能為試管嬰兒手術提供更好的挑選精子的方法，在更接近自然狀態的條件下識別出最適合的精子。

據統計，在受孕期間，男性釋放的5500萬個的精子中，只有大約15個精子能夠通過生殖道。宮頸黏液的黏稠度是水的100倍，使得卵子與精子的結合成為自然界中最艱難的選擇挑戰之一。在英國，受到生育問題影響的人數高達350萬，而選擇體外人工受孕（IVF）技術的夫婦平均要花費2萬英鎊。

「我們仍然不完全了解精子遊動的能力，這可能與基因完整性有關。宮頸黏液是女性體內精子篩選機制的一部分，確保只有遊泳能力最強的精子才能與卵子結合，」英國約克大學的赫爾墨斯·加德爾哈（Hermes Gadêlha）博士說，「在選擇精子的過程中，IVF診所並沒有使用高黏度的液體來測試精子，因為直到現在仍不清楚這其中的重要性。」

「我們的研究表明，在選擇用於IVF治療的精子時，還需要更多的臨床試驗和研究，以探索這一自然環境因素的影響，」加德爾哈補充道。他還表示，精子的尾部（由鞭毛構成）結構極為複雜，但是其長度只相當於頭髮的寬度。

研究人員將人類與其他哺乳動物的精子尾部結構與海膽的精子進行對比，包括人類在內的哺乳動物都是體內受精，而海膽則是將精子排到海水中，進行體外受精。

儘管海膽精子和人類精子的尾部都具有同樣彎曲的內核，但該研究表明，哺乳動物的精子尾部可能已經演化出一個「強化」的外層，使它們具有額外的強度和穩定性，從而克服遊動過程中遇到的黏稠液體屏障。

研究人員通過虛擬模型來添加和去除不同物種精子的鞭毛特徵，從而確定這些特徵的功能。他們測試了虛擬海膽精子在黏稠液體（類似宮頸黏液）中的遊動能力，發現它們的尾部在壓力下迅速彎曲，使它們無法向前推進。

相比之下，人類精子在類似水的低黏度液體中會強有力地擺動。研究人員解釋稱，如果是更為黏稠的液體，人類精子便會開始以一種有節奏的強有力波動形式遊動。

「利用虛擬精子，我們可以看到哺乳動物的精子是如何適應在較粘稠的液體中遊動的，」加德哈爾博士說，「我們不知道哪種適應性首先出現，是更強有力的精子還是更黏稠的宮頸黏液，或者它們是否協同演化。但是，自然界中沒有任何東西是偶然的，正是物種繁殖所需的條件在數百萬年間施加了演化壓力。」

不過，研究人員表示，由於沒有中樞神經系統來決定如何運動和何時運動，因此控制精子運動的因素仍然是一個科學謎題。「我們知道，就像我們的手臂和雙腿一樣，精子也具有微小的肌肉，使它們可以將尾部彎曲，但沒有人知道尾部的這一切是如何在納米尺度上精心組織的，」加德哈爾博士補充道，「精子是一種自組織的原始生物形式，運動似乎是自動發生的，或許是因為許多機制的複雜組合在起作用。」

精子如何運動？

精子在人類繁殖中至關重要。對男性來說，精子的運動能力是確保繁殖成功的關鍵。為了順利遊向卵子，精子演化出了具有運動功能的尾部，又稱為鞭毛。

精子尾部由大約1000個組件構成，包括被稱為微管蛋白（tubulin）的結構，它們是組成微管的主要成分。附著在這些微管上的是一類能夠移動的分子，稱為馬達蛋白（motorprotein）。這些分子的移動促成了精子尾部的拉伸和彎曲，從而使精子遊動起來。精子尾部的能量來自線粒體。眾所周知，線粒體是細胞中產生能量的發電站。