精子游起来并不像“小蝌蚪”，三百年来科学家都看错了｜内有动图

三百多年来，学界一直以为精子像蝌蚪或鳗鱼那样摆动尾巴前进。最近一项研究借助先进的高速摄影技术，发现这种印象其实是一种视错觉，精子的运动方式实际上要更加复杂：它们的尾巴朝向一侧摆动，头部旋转前进，平衡了尾部运动的不对称。

图片来源：Pixabay

来源 University of Bristol

翻译 贾楠

编辑 戚译引

作为最早使用显微镜的人之一，列文虎克描述人类的精子“具有尾巴，蛇形前进，就像水中的鳗鱼”。三百多年后，科学家发现这是一种视错觉。

布里斯托大学（University of Bristol）的 Hermes Gadelha 博士、墨西哥国立自治大学（Universidad Nacional Autonoma de Mexico）的 Gabriel Corkidi 博士和 Alberto Darszon 博士采用最先进的 3D 显微镜和数学技术，率先重建了精子尾部的 3D 真实运动。

他们使用了一架每秒拍摄超过 55 000 帧的高速相机，配合带有压电装置的显微镜载物台，以极高的速率上下移动样品，拍摄了精子自由游动的 3D 图像。

这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上，揭示了精子的尾巴实际上是摆动的，并且只朝一侧摆动。侧向摆动似乎意味着精子只能绕圈游动，但精子已经巧妙地适应了这种方式，并找到了向前游动的方法。

论文作者之一 Gadelha 博士也是布里斯托大学工程数学系 Polymaths 实验室的负责人、生育数学专家，他说：“人类的精子在游动时会同时滚动，就像在水里嬉戏的水獭一样螺旋前进，这能够平衡它们的单边前进的情况，从而向前游动。”

“用 2D 显微镜从上方观察时，精子快速、规律的旋转会导致一种错觉，让我们觉得精子的尾巴似乎具有左右对称的运动，就像‘水中的鳗鱼’，这是列文虎克在 17 世纪的描述。”

过去认为的精子游动方式，或者说用显微镜俯视观察看到的精子游动方式。图片来源：polymaths-lab.com

“但是，我们的发现表明，精子已经找到了一种游动模式来平衡它们的单向摆动，并且通过在非对称性中创造对称性，巧妙地解决了微观尺度的数学难题。”Gadelha 博士说。

“然而，人类精子的旋转像水獭一样，非常复杂：在精子尾巴围绕游动方向旋转的同时，精子头也在旋转。这在物理学上被称为进动，就像地球和火星的轨道绕着太阳进动一样（天文学中称为岁差）。”

使用高速摄像机观察得到的精子真实的运动方式。图片来源：polymaths-lab.com

如今，在诊所和研究中使用的计算机辅助精液分析系统仍使用 2D 视图观察精子运动。因此，他们在评估精液质量时会像列文虎克使用第一台显微镜观察时一样，误以为精子的运动是对称的。这项发现开创性地结合了 3D 显微镜技术和数学，可能为揭开人类生殖的秘密带来新的希望。

Gadelha 博士补充说：“由于一半以上的不孕不育是由男性因素引起的，因此了解人类的精子尾巴为未来开发诊断工具、识别不健康的精子打下了基础。”他此前的工作揭示了精子弯曲的生物力学，和描述精子向前运动特征的精确的节律趋势。

精子真正的前进方式更像是旋转的开瓶器。图片来源：polymaths-lab.com

Corkidi 博士和 Darszon 博士开创了这项用于观察精子游动的 3D 显微镜技术。Corkidi 博士说：“这真是令人难以置信的惊喜，我们相信先进的 3D 显微镜技术将揭示自然界中更多的秘密。有朝一日，这项技术将可用于临床中心。”

Darszon 博士说，“这项发现将彻底改变我们对精子活力及其对自然受精影响的理解。对于女性生殖道内复杂的环境，以及精子游动如何影响受精，我们仍然知之甚少。这些新工具使我们看到了精子具有的惊人能力。”

论文信息：

http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aba5168

原文链接：

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

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