受精需移动15厘米,人类精子到底如何推进?科学家被骗了300多年
人类精子从出发到达输卵管中并与卵子完成受精,通常来说它们需要移动15厘米到18厘米的距离。
考虑到精子是动物最小的细胞之一——人类精子从顶体到末端的长度差不多只有50微米左右,移动超过15厘米不是一件不容易的事。
事实上,不仅距离上对精子来说很遥远,在15厘米的旅程中还有各种“诱杀装置”,因为精子对于女性来说是异物会自然地被防御。
其中包括宫颈粘液困住精子、白细胞吞噬精子等等,当每次数以亿计的精子同时出发时,真正能到达目的地——接触卵子的只有200枚左右。

©quapan/Flickr
那么有趣的问题是,精子到底是如何移动的呢?它又是怎么获得能量来让自己持续推进呢?
关于精子的“游动”有一些非常有趣的故事,所以必须给它单独拎出来说说,这玩意足足愚弄了科学家300多年。
精子如何欺骗科学家300多年?
1677年,光学显微镜之父荷兰科学家列文虎克在改进了显微镜之后,他通过这种显微镜仔细观察了自己的精子,这是人类第一次看到精子。
据列文虎克的描述,他看到巨量的“微生物”,这些“生物”每个都有肿大的头部和几乎透明的长尾巴,它们充满活力,不停像蛇一样蠕动,以及就像水中的鳗鱼一样。
当时人们并不认为这是人类的生殖细胞,实际上列文虎克认为它们是一种寄生动物(估计他第一次看到自己的这些的时候吓得不轻),并专门为此创造了一个名词“spermatozoa”(现在翻译成精子动物)来描述这种“生物”。
在精子发现后的很长一段时间里,其实人们都不知道这种细胞是干嘛用的,在1695年,同为荷兰人的尼古拉斯·哈特索克在观察了精子之后,他瞬间感觉自己领悟到了“上帝的秘密”,他第一次定义了精子的作用,认为精子里面住着小人,然后这些小人在女性的肚子里发育成更大的人,这就是生育的全部。
但尴尬的是,这位仁兄无法解释为什么那么多进去最后却只有一个或者两个出来。
人们对哺乳动物生殖的秘密直到1827年才算有一点点了解,因为这一年科学家发现了卵子(寻找卵子是很难的,因为它的数量非常有限),而到了1876年,科学家才总算观察到精子和卵子融合,哺乳动物生殖的秘密才算是拨开云雾见明月。
我们回到列文虎克发现精子的话题,虽然他不知道这些“生物”是干嘛的,但是他在描述显微镜下的生物绝对很有一套。

在那个没有相机的年代,列文虎克甚至纯手工绘制了精子的画像(上图),并且第一次通过图像和语言同时描述了精子是如何移动的——它就像是蝌蚪或者鱼一样通过左右甩动尾部来让自己前进。
精子以这种形式(摆动尾部)移动估计符合我们几乎所有人的刻板印象,因为我们大部分接触到的科普读物通常就是这么描述的。
直到最近(2020年),墨西哥国立自治大学的研究人员发现,原来精子并不是这样摆动尾部来“游动”的,它实际上是以一种旋转钻洞的形式在运动。
墨西哥国立自治大学的研究人员采用一个带有压电装置的3D显微镜,以及一台一秒钟能够记录超过55000帧的高速相机,3D扫描了自由游动的精子,然后以数学方法构建了精子的运动方式(如下图)[1]
这项研究于2020年7月31日发表在《科学进展》杂志上,其研究人员Gadêlha在接受采访的时候表示:精子根本没有游泳,它只是不断地钻进液体中。
实际上,由于精子快速且高度同步的旋转——一秒完成20次旋转,用2D显微镜观察是无法正确认识它们的运动方式的——只会看到左右摆动,而现代研究通常都是用2D显微镜,所以精子就一直这样愚弄了科学家足足300多年。
为什么精子是旋转?
精子是高度特化的细胞,这意味着它们承受着巨大的进化压力,它们的一切特征只有一个目的,就是完成受精。
左右摆动的游动姿势适合在一些容易游动的液体中推进,而精子想要完成受精需要面对的环境非常复杂。
在同一趟旅程中,它们都需要面对多种环境,时而是粘稠的完全无法推进的情况,时而是润滑的,时而又干脆是干燥的,所以像陀螺一样旋转会比摆动推进好用许多。
另外,这项研究还发现,人类精子的尾巴实际上是不平衡的,只在一侧摆动,这意味着它里应该由于单侧摆动而原地转圈圈才是。
但是精子找到了一种自适应,它们在游动时滚动,顶体也跟着尾巴旋转的方向转动,这个方式正好可以抵消单侧摆动造成的不对称。
我查阅到2019年的一项研究还发现,哺乳动物精子顶体部分都是螺旋状的,就像是螺丝一样[2],这正好符合精子的运动方式。
那么,还有一个问题,既然精子这么小,它们又得如此吃力地钻洞前行,那么它们的能量来自哪里。
其实,这个也是精子高度特化的一部分。
我们知道细胞活动的能量主要来自线粒体——这个被称为细胞的能量工厂,精子的体积虽然小,但是它们却拥有非常多的线粒体,它就像是一个个小电池一样给精子供能。
这些线粒体就集中在精子的中段部分,而且为了充分利用空间,科学家发现这些线粒体是螺旋状的。
而给这些线粒体提供“燃料”的就是它们的活动场所,只有在那里它们有机会存活长达5天以上,而在其它环境中精子都会快速失活。

图源:
最后,我们再来说一个关于精子广为流传的误解吧,我们许多人应该都听说过跑得最快的一枚精子才有机会完成受精,所以我们每个人从出生开始就已经在数以亿计的竞争中赢过一次了。
但是实际上并不是如此,越来越多的证据已经表明,跑得(或者钻得最快)最快的精子只会最早遇到卵子而已,而卵子有最终的选择权,它们会在几百甚至上千枚完成比赛的精子中选择一枚[3]。
6岁儿子被害仇家拒绝赔偿单亲妈妈将硫酸泼向仇家女儿
母爱,是世间最伟大的力量。一个单亲妈妈与她的儿子相依为命,但在命运的捉弄下,儿子被人残忍杀害,而凶手却没有赔偿或悔过的意思。面对这样的冷漠,母亲怎么可能坐视不理?这位单亲妈妈名叫李梅,原生活在火辣的重庆。嫁给了同村的一个比自己大15岁的男人,两人有了一个可爱的儿子小明。由于时间推移,两人之间的摩擦日益加剧,最终以离婚收场。李梅毅然决定带着儿子离开重庆,来到了北京,寻找新的生活。我要新鲜事2023-06-05 21:31:310000地铁上孕妇不让座 居然被大妈殴打(无情社会)
大妈殴打不让座的孕妇,乘客们没人管。现在的老年人在上了地铁或者是公交车的时候都会十分嚣张的要求年轻人给他们让座,也不管年轻人当时的情况如何,在3月13日,北京两个女子就因为地铁上的一个座位而打了起来,其中一方是想要让年轻女子让做的大妈,而另一方则是一个已经怀孕的年轻女子。强行让座我要新鲜事2023-03-17 11:30:530000哈勃望远镜发现天堂位置怎么回事 哈勃望远镜惊人发现揭秘
在宇宙当中漂浮着一座会发光但是没有生命居住的城市。可能有的人根本不相信这一现象,但是确确实实的在宇宙当中发现的。本来哈勃望远镜是用来观测宇宙的周围事物的,在不经意间发现了所谓天堂的位置,不过这也更加坚定的让神学者更加相信有上帝的存在,而人类就是通过上帝的手塑造而来。一、哈勃望远镜是什么我要新鲜事2023-05-10 08:44:380000狗和狼能杂交出狼狗,假如碰上鬣狗,会生下什么样的后代?
我们都知道狗狗的种类非常的多,到目前为止大约有450多个犬种。这主要是人为干预的结果。它们的个体之间有着非常巨大的差异,比如凶猛的藏獒跟可爱的吉娃娃。在狗狗中有很多的“串儿”,它们是为了满足人们不同的需求刻意培育出来的。但你知道吗,其实狗狗也可以跟其他的动物交配繁殖,比如野生的狼。你知道家犬跟野狼生下来的孩子叫什么吗?“狼犬”和“混血狼”我要新鲜事2023-12-09 19:32:160000网络中的egm是什么意思 egm的来历是什么
egm是一个曾经流行的网络用语,经常见于抖音视频。手机用户会发现在很多抖音视频的背景音乐被称作egm,而且还有很多其他手机用户纷纷进行了大量的点赞,同时刷屏“跟着一起摇摆”。egm源自一位网络昵称是短笛的手机用户发出的一个抖音视频,该抖音视频的背景音乐的名称显示为egm,事实上正确名称为edm。一、egm的兴起我要新鲜事2023-05-10 07:18:270000