不像蛇而像螺旋,精子游动方式被误解300多年

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  你的出生,比你以为的更神奇,更幸运。

  

  精子在三维空间中的运动。||Polymaths Lab

  作者| 高佩雯 陈天真

  每个人都曾经是游泳健将。——当你还是一颗精子的时候。

  最先发现这个秘密的人是列文虎克。他用自己发明的显微镜第一次观察到了人类的精子细胞——他自己的,并描述道:“它有一条尾巴,在游动时,尾巴像蛇一样摆动,如同水里的鳗鱼一般。”

  蛇和鳗鱼怎么动呢?左一扭,右一扭,重复画着S曲线。但这个图像被打破了。

  最近,科学家们发现,精子尾巴不是这样动的,它并不会左摆右摆,而是只向一边摆,结果整个精子就像红酒开瓶器一样向前旋进。

  ——二维图像就这样蒙蔽了我们三百多年。

  会游泳的精子

  精子游动为啥这么牵动人神经?因为它和生育有关。一开始,人们以为它的头部自带一个小人,是生命的最初形态。后来才知它仅带一半遗传物质,要找到卵子结合才能变成新生儿。

  

  精子在二维平面的游动。|来自网络

  但精子想要与卵子相遇,就要穿越充满粘滞液体的女性生殖道,面对复杂的物理和化学环境,包括粘稠的宫颈液、阴道中致命的酸性物质等。如果不慎败下阵来,就要发生不孕不育了。

  精子怎么办呢?新研究发现,它有独特的游泳技巧。一切奥秘来自于它的尾巴。

  精子就像小蝌蚪一样,尾巴非常强韧,外面包裹着一个加强层,这个加强层具有独特的机械结构,赋予它力量,使它能够强有力而充满节奏地游动。就像我们在之前图片里看到的那样。

  令人略略疑惑的是,这个加强层并不是对称的。这理应会导致它有不对称运动的倾向。但之前人们并未留意。

  

  精子尾巴(鞭毛)结构。其加强层并不是对称的,一侧致密纤维多,一侧致密纤维少(以3、8为分界),这使得它更易向纤维弱的一侧弯曲。|HermesGadelha

  而这一次,新研究发现,精子游动起来就是不对称的,这和它尾巴的结构正好相吻合。

  通过3D显微镜,研究人员发现,精子游动时并不像我们以为的那样,会左右对称地摆动尾巴,而是在做一种类似螺旋的运动:

  它的尾巴始终只向一边摆动——按常理它该原地转圈圈了,就像人用单侧身体游泳一样——但同时,它又很“机智”地在绕着游动的方向旋转。

  这就抵消了单向摆动带来的不对称问题,使它整个儿就像红酒开瓶器一样向前旋进。

  

  精子强有力的旋进(头部正面视角)。背后红色轨迹是尾巴上某一固定点的投影。|Polymaths Lab

  从重建的三维图像可以看出,在精子旋转前进的同时,它的头部也在有节奏地转动(虽然分析表明,这种头部的转动和尾部的旋转并没有直接相关性),使得整体运动十分有力而协调。

  这简直就像将螺丝钉拧进木头里面。也难怪它可以在那样高粘度的环境中前进了。

  PS:要知道,在女性生殖道的粘液中,精子游动的雷诺系数低至0.0001,而一个小孩在水中游泳,雷诺系数约为10000。雷诺系数用来反映惯性力和粘滞力的关系,数值越小,表示受到的粘滞阻力越大。0.0001≈举步维艰了。

  全方位观察精子游动

  此前,人们使用2D显微镜观察精子,产生了对称摆尾的错觉。这一次,仰赖先进的3D显微镜技术,终于得见完全不同的图像。

  该显微镜使用一架每秒可记录超过55000帧画面的超高速照相机,外带能够快速上下移动样品的载物台,让实验人员得以从不同角度拍摄自由游动的精子。照片通过数字处理,最终变成三维图像。

  

  从3D显微镜中观察到的精子游动。|Polymaths Lab

  试验的精子被放在人工调配的较低粘度的生理溶液中,具有非常高的自由度,被从各个方向都观察得清清楚楚。通过先进的数学分析技术,更展示了精妙的细节。

  事实上,观察发现,这种螺旋式的前进也是非对称的。

  从不同侧面可以看到不同姿态的投影,有的源于单边摆尾(像扭曲的字母C),有的则表现了旋转在整个尾部的传递(像字母S)。这和一个匀称的红酒开瓶器,或者说弹簧有很大的不同。

  

  通过3D显微镜重建的精子游动。|Polymaths Lab

  之前,人们之所以被迷惑,是因为精子游动很快,在试验或医学观察中,其尾部经常被固定在载玻片上,以至于限制了头和尾的旋转,亦无法推断精子的滚动。

  而二维运动经过时间平均,就会表现出静态的对称性。这种对称性,还被作为判断精子活力的重要指标,和生育能力的关系十分显著。也无怪乎人们被它迷惑了300多年啦。

  更多你不知道的事

  这一次颠覆性的发现,让我们看到了精子游动的艰难。而这只是精子“生涯”的一部分。除了游动阻力大,它还要经受来自卵子的重重考验。

  一些新研究揭示了精子与卵子“戏剧性”的相遇(或不相遇),看完令人感叹。

  比如,卵子“鹰眼犀利”,会自动排除有缺陷的精子,即使它游得飞快。

  2017年的一项研究发现,当健康的雌性小鼠和携带致癌突变基因的雄性小鼠配对时,后代携带该致癌基因的比例只有27%,远低于精子随机结合的携带率75%。这说明卵子会主动选择精子,跑得快并不一定有用,有缺陷照样被拒绝。这被后来的学者称为“神秘的女性选择”。

  

  卵子会主动选择精子。|公共领域

  而就算没有缺陷,卵子也会有自己的独特偏好,会给“看不上”的精子使绊子。

  2020年6月的一项研究表明,人类卵子会利用化学信号吸引特定男子的精子。通过观察卵泡液样本中积累的精子数量,研究者发现,女性卵泡液有自己的选择偏好,对中意的精子它有激励作用,能使精子游动路线更直;遇到不喜欢的精子,则能使出“延迟魔法”,降低其移动速度。

  令人无解的是,这种喜好是和特定的人联系在一起的。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,却更擅长吸引其他男性的精子。

  而为了得到卵子青睐,精子也是非常努力。除了奋力游泳,它们还会主动修正自己的错误。

  在2020年1月的一项研究中,科学家发现,在精子成熟过程中,它们会通过一种被称为“转录扫描”的生物机制修复DNA损伤,以减少增殖和分化过程中累积的遗传错误。在这种机制下,被激活的基因的编码错误率比未激活的基因少15~20%。这给人类的遗传稳定性增添了极大的保障。

  关于精子是怎样遇到卵子,并长成一个新生命的,相信未来还会有更多的新研究。精子和卵子的故事远未结束。

  目前,我们虽然已经观测到了精子游动的三维信息,但对于这些信息在生育中有何意义,还缺少认识;如何将其应用于生殖问题的诊断和治疗,也有待进一步研究。

  新的技术手段正不停向我们展示新的细节,生命的奥义,终有一天会被揭开,而我们当前所面临的一系列问题,包括生殖生育问题,也将迎刃而解。

  参考资料:

  [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“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,转载请注明出处。

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