生命之光

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不像蛇而像螺旋,精子游動方式被誤解300多年
發布時間:2020-08-17     作者:高佩雯 陳天真   來源:科普中國   分享到:

你的出生,比你以為的更神奇,更幸運。

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精子在三維空間中的運動。||Polymaths Lab

每個人都曾經是游泳健將。——當你還是一顆精子的時候。

最先發現這個秘密的人是列文虎克。他用自己發明的顯微鏡第一次觀察到了人類的精子細胞——他自己的,并描述道:“它有一條尾巴,在游動時,尾巴像蛇一樣擺動,如同水里的鰻魚一般。”

蛇和鰻魚怎么動呢?左一扭,右一扭,重復畫著S曲線。但這個圖像被打破了。

最近,科學家們發現,精子尾巴不是這樣動的,它并不會左擺右擺,而是只向一邊擺,結果整個精子就像紅酒開瓶器一樣向前旋進。

——二維圖像就這樣蒙蔽了我們三百多年。

會游泳的精子

精子游動為啥這么牽動人神經?因為它和生育有關。一開始,人們以為它的頭部自帶一個小人,是生命的最初形態。后來才知它僅帶一半遺傳物質,要找到卵子結合才能變成新生兒。

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精子在二維平面的游動。|來自網絡

但精子想要與卵子相遇,就要穿越充滿粘滯液體的女性生殖道,面對復雜的物理和化學環境,包括粘稠的宮頸液、陰道中致命的酸性物質等。如果不慎敗下陣來,就要發生不孕不育了。

精子怎么辦呢?新研究發現,它有獨特的游泳技巧。一切奧秘來自于它的尾巴。

精子就像小蝌蚪一樣,尾巴非常強韌,外面包裹著一個加強層,這個加強層具有獨特的機械結構,賦予它力量,使它能夠強有力而充滿節奏地游動。就像我們在之前圖片里看到的那樣。

令人略略疑惑的是,這個加強層并不是對稱的。這理應會導致它有不對稱運動的傾向。但之前人們并未留意。

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精子尾巴(鞭毛)結構。其加強層并不是對稱的,一側致密纖維多,一側致密纖維少(以3、8為分界),這使得它更易向纖維弱的一側彎曲。|HermesGadelha

而這一次,新研究發現,精子游動起來就是不對稱的,這和它尾巴的結構正好相吻合。

通過3D顯微鏡,研究人員發現,精子游動時并不像我們以為的那樣,會左右對稱地擺動尾巴,而是在做一種類似螺旋的運動:

它的尾巴始終只向一邊擺動——按常理它該原地轉圈圈了,就像人用單側身體游泳一樣——但同時,它又很“機智”地在繞著游動的方向旋轉。

這就抵消了單向擺動帶來的不對稱問題,使它整個兒就像紅酒開瓶器一樣向前旋進。

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  精子強有力的旋進(頭部正面視角)。背后紅色軌跡是尾巴上某一固定點的投影。|Polymaths Lab

從重建的三維圖像可以看出,在精子旋轉前進的同時,它的頭部也在有節奏地轉動(雖然分析表明,這種頭部的轉動和尾部的旋轉并沒有直接相關性),使得整體運動十分有力而協調。

這簡直就像將螺絲釘擰進木頭里面。也難怪它可以在那樣高粘度的環境中前進了。

PS:要知道,在女性生殖道的粘液中,精子游動的雷諾系數低至0.0001,而一個小孩在水中游泳,雷諾系數約為10000。雷諾系數用來反映慣性力和粘滯力的關系,數值越小,表示受到的粘滯阻力越大。0.0001≈舉步維艱了。

全方位觀察精子游動

此前,人們使用2D顯微鏡觀察精子,產生了對稱擺尾的錯覺。這一次,仰賴先進的3D顯微鏡技術,終于得見完全不同的圖像。

該顯微鏡使用一架每秒可記錄超過55000幀畫面的超高速照相機,外帶能夠快速上下移動樣品的載物臺,讓實驗人員得以從不同角度拍攝自由游動的精子。照片通過數字處理 ,最終變成三維圖像。

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  從3D顯微鏡中觀察到的精子游動。|Polymaths Lab

試驗的精子被放在人工調配的較低粘度的生理溶液中,具有非常高的自由度,被從各個方向都觀察得清清楚楚。通過先進的數學分析技術,更展示了精妙的細節。

事實上,觀察發現,這種螺旋式的前進也是非對稱的。

從不同側面可以看到不同姿態的投影,有的源于單邊擺尾(像扭曲的字母C),有的則表現了旋轉在整個尾部的傳遞(像字母S)。這和一個勻稱的紅酒開瓶器,或者說彈簧有很大的不同。

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通過3D顯微鏡重建的精子游動。|Polymaths Lab

之前,人們之所以被迷惑,是因為精子游動很快,在試驗或醫學觀察中,其尾部經常被固定在載玻片上,以至于限制了頭和尾的旋轉,亦無法推斷精子的滾動。

而二維運動經過時間平均,就會表現出靜態的對稱性。這種對稱性,還被作為判斷精子活力的重要指標,和生育能力的關系十分顯著。也無怪乎人們被它迷惑了300多年啦。

更多你不知道的事

這一次顛覆性的發現,讓我們看到了精子游動的艱難。而這只是精子“生涯”的一部分。除了游動阻力大,它還要經受來自卵子的重重考驗。

一些新研究揭示了精子與卵子“戲劇性”的相遇(或不相遇),看完令人感嘆。

比如,卵子“鷹眼犀利”,會自動排除有缺陷的精子,即使它游得飛快。

2017年的一項研究發現,當健康的雌性小鼠和攜帶致癌突變基因的雄性小鼠配對時,后代攜帶該致癌基因的比例只有27%,遠低于精子隨機結合的攜帶率75%。這說明卵子會主動選擇精子,跑得快并不一定有用,有缺陷照樣被拒絕。這被后來的學者稱為“神秘的女性選擇”。

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  卵子會主動選擇精子。|公共領域

而就算沒有缺陷,卵子也會有自己的獨特偏好,會給“看不上”的精子使絆子。

2020年6月的一項研究表明,人類卵子會利用化學信號吸引特定男子的精子。通過觀察卵泡液樣本中積累的精子數量,研究者發現,女性卵泡液有自己的選擇偏好,對中意的精子它有激勵作用,能使精子游動路線更直;遇到不喜歡的精子,則能使出“延遲魔法”,降低其移動速度。

令人無解的是,這種喜好是和特定的人聯系在一起的。在一些不孕不育的夫妻中,妻子的卵泡液只是“看不上”丈夫的精子,卻更擅長吸引其他男性的精子。

而為了得到卵子青睞,精子也是非常努力。除了奮力游泳,它們還會主動修正自己的錯誤。

在2020年1月的一項研究中,科學家發現,在精子成熟過程中,它們會通過一種被稱為“轉錄掃描”的生物機制修復DNA損傷,以減少增殖和分化過程中累積的遺傳錯誤。在這種機制下,被激活的基因的編碼錯誤率比未激活的基因少15~20%。這給人類的遺傳穩定性增添了極大的保障。

關于精子是怎樣遇到卵子,并長成一個新生命的,相信未來還會有更多的新研究。精子和卵子的故事遠未結束。

目前,我們雖然已經觀測到了精子游動的三維信息,但對于這些信息在生育中有何意義,還缺少認識;如何將其應用于生殖問題的診斷和治療,也有待進一步研究。

新的技術手段正不停向我們展示新的細節,生命的奧義,終有一天會被揭開,而我們當前所面臨的一系列問題,包括生殖生育問題,也將迎刃而解。



參考資料:

[1] Human sperm uses asymmetric andanisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering[J]. Science Advances, 2020, 6(31): eaba5168.

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

[2] Chemical signals from eggsfacilitate cryptic female choice in humans. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2020.0805

[3] Bo Xia et al., (2020),WidespreadTranscriptional Scanning inthe Testis Modulates Gene Evolution Rates,Cell,DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.12.015.

文章由“十點科學”(ID:Science_10)公眾號發布,轉載請注明出處。

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