还以为精子是像蝌蚪那样游动？科学家们弄错了300多年！
人类精子是怎样游动的？三百多年来，科学家也可能被2D显微镜下的这类视野给欺骗。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。
三百多年前，还没有人知道精液中存在什么，又为什么精液能够让女性怀孕。直到最早的复式显微镜出现后，人类才第一次见到精液中精子这种成分的存在。1677年，列文虎克在显微镜下，看到精液中有一些运动着的“微生物”。他当时如此描述：它们每一只都有一个钝的头，身体很长，拖着一条几乎几乎透明的尾巴。它们各自推动着自己前进，像一条蛇在移动，或者是一条泥鳅在水里游泳。
1677年一个秋日的夜晚，列文虎克和妻子正在做爱。他“高潮射精后不足几秒便立刻”跳起身来，带着精液样本直奔自己的显微镜。在显微镜下列文虎克看到“数以千计沙粒般大小的活体微型动物正在游动”。他并没有告知英国皇家学会他的妻子对这项惊人发现做何感想。
一向高调发布研究成果的列文虎克，这次却选择低调行事。他提醒皇家学会这是他们的授意，而非他自己的本意。他还很反常地专门指出，这次实验样本是通过“正常夫妻性交”而非“不道德的自慰”获得的。除了这些预防措施，列文虎克在信中写道，他承认自己的观察可能会让人感到“恶心或伤风败俗”。他让皇家学会全权决定是公布还是销毁这次研究结果。
安东尼·凡·列文虎克（1632-1723）
当然，在数百年间，生物学家对精子的认识已经有了质的提升，从一开始精子头部自带着新生儿的荒诞想法，到后来确定其携带了一半遗传物质并且会与卵子结合，再到如今确定动力蛋白能够给精子尾巴提供动力，激素能影响精子活动性等各种分子机制。人类探索到了越来越多关于这种“微生物”的秘密。
尽管一些细胞和分子层面的知识在不断被刷新，但有一点，似乎绝大多数科学家都很少怀疑过，那就是最简单的形态学知识——精子能够通过摆动尾巴获得前进的动力，并且尾巴的对称性摆动方式类似于鳗鱼，也就是左右对称摆动前进。这一点，只要在显微镜下观察过精子的科学家都不会质疑。
并且，由于2D显微镜下观察到人类精子游动时，尾部摆动产生的波形是对称的，科学家曾推测在理想化的3D条件下，精子尾部的运行轨迹产生的波形应该也是对称的，就像我们平时开葡萄酒瓶的开瓶器一样。
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。”
这一结果也刷新了人类过去的认知：人类精子不是像海鳗一样对称性地摆动鞭毛，而是像海獭一样的旋转式游动——头部往一侧摆动旋转，与此同时鞭毛也会跟着旋转，也就是一种旋进过程，而这个过程并不是2D看到的对称性游动。
2D观测下，会误以为人类精子像海鳗一样左右（上下）摆动游动
实际上，精子游动方式类似海獭，头部旋转，身体（精子尾巴）同时旋转。
研究一共观测了30条【自由游动】的精子，从头部正面的角度看，其中28个精子细胞（头部）都会沿着一根轴进行逆时针转动，鞭毛（尾巴）会以游动方向为轴进行同步旋转。（这里为什么要强调“自由游动”，因为现在的主流观察方式——拴菌实验会固定精子的鞭毛，这会导致精子头部和鞭毛无法转动，因此加剧了误解程度）
在3D条件下，科学家能通过多个平面来观测精子以及鞭毛的摆动方式和波形。根据（x,y,z）轴组成的多平面来看，鞭毛的转动在各平面产生的摆动特征都是各异的，例如在“b”平面和“z”平面上，鞭毛特征就明显不一样，显示出各向异性，也就是3D条件下，鞭毛的摆动并不是一一对称的，其在各个平面的表现并不一致，也不会形成完美对称的标准螺线转动。
而之所以之前会误认为精子的摆动是对称的，就是2D观测时只能看到一个平面的信息，这种平面会给予观测者一种对称错觉。（见下图所示）
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。”
从列文虎克第一次看到精子，至今已经过了300多年，但这么长的时间里，我们却自以为是地弄错了一个最基本的事实。现今，3D显微镜已经让解密人类精子变得更加准确，而这也是了解我们人类从哪里来，如何来的第一步。
来源：生命科学教育（环球科学、科研圈、列文虎克生平等）
放大600倍的精子运动
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