人類精子究竟是如何遊動的？3D映象顯示其不對稱地旋轉前進 科學家們弄錯了300多年

來自布里斯托大學（University of Bristol）和墨西哥國立自治大學（Universidad Nacional Autonoma de Mexico）的研究人員在生育科學方面的最新研究，打破了人們普遍接受的關於精子像蝌蚪一樣“遊動”的觀點。他們採用最先進的3D顯微鏡和數學技術，率先重建了精子尾部的3D真實運動。

300多年前，安東尼·範·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）用一種最早的顯微鏡進行觀察，把人類精子描述為“有一條尾巴，在游泳時尾巴會像蛇一樣擺動，就像水中的鰻魚一樣”。如今，科學家們揭示的結果顯示——這是一種視錯覺。

布里斯托大學的Hermes Gadelha博士、Gabriel Corkidi博士和墨西哥國立自治大學的Alberto Darszon博士利用最先進的3D顯微鏡和數學技術，率先用3D技術重建了精子尾部的真實運動。結果顯示：精子並不是對稱地左右擺動尾巴游泳，而是不對稱地旋轉前進。

他們使用了一架每秒能夠記錄超過55000幀的高速照相機，以及一個帶有壓電裝置的顯微鏡載物臺，以令人難以置信的高速率上下移動樣本，他們能夠在3D中掃描自由遊動的精子。

這項突破性的研究發表在發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上，它揭示了精子的尾巴實際上是搖搖擺擺晃動的，而且只在一側擺動。雖然這應該意味著精子的單側划水會讓它繞圈遊動，但精子已經找到了一種聰明的方式來適應並向前遊動。

“人類的精子在遊動時會同時滾動，就像在水裡頑皮的水獺捲曲自己的身體並螺旋前進，這能夠平衡它們的單邊前進的情況，從而向前遊動。”布里斯托爾學者工程數學實驗室主管和生育學數學專家Gadelha博士表示。

用2D顯微鏡從上面看，精子快速且高度同步的旋轉會產生一種錯覺——它的尾巴似乎有一個左右對稱的運動，就像列文虎克在17世紀描述的“水中的鰻魚”。

但是，研究人員們的發現表明，精子已經發展出一種游泳技術來彌補它們的不對稱，並透過這樣做巧妙地解決了微觀層面上的一個數學難題：透過在不對稱中創造對稱。

人類精子實現像水獺一樣的靈活旋轉是複雜的：精子頭部往一側擺動旋轉的同時，精子尾部繞著游泳方向旋轉。這在物理學上被稱為旋進（precession），很像地球和火星繞太陽執行的軌道旋進。

圖2：人精子鞭毛（尾巴）三維搏動圖。

研究一共觀測了30條自由遊動的精子，從頭部正面的角度看，其中28個精子細胞（頭部）都會沿著一根軸進行逆時針轉動，鞭毛（尾巴）會以遊動方向為軸進行同步旋轉。

圖3：人類精子的三維各向異性和非對稱跳動。

如今在診所和研究中使用的計算機輔助精液分析系統，仍然使用2D檢視來觀察精子的運動。因此，就像列文虎克的第一臺顯微鏡一樣，在評估精液質量時，它們仍然容易產生這種對稱錯覺。這一發現，連同它對3D顯微鏡技術與數學結合的新穎應用，可能為解開人類生殖的秘密提供了新的希望。

Gadelha博士補充道：“超過一半的不孕不育是由男性因素造成的，理解人類精子的尾部，是開發未來診斷工具以識別不健康精子的基礎。”Gadelha博士之前的工作揭示了精子彎曲的生物力學和精確的節律趨勢，這是精子如何向前移動的特徵。

Gabriel Corkidi博士和Alberto Darszon博士率先使用3D顯微鏡觀察精子游動。“這是一個難以置信的驚喜，我們相信我們最先進的3D顯微鏡將揭開更多隱藏在自然界中的秘密。”總有一天這項技術會應用到臨床中心。

“這一發現將徹底改變我們對精子活力及其對自然受精的影響的理解。”Alberto Darszon博士說。“對於雌性生殖道內複雜的環境以及遊動的精子如何撞擊受精卵，我們知之甚少。這些新工具讓我們看到了精子所具有的驚人能力。”

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：https：//phys。org/news/2020-06-human-eggs-men-sperm。htmlhttps：//scitechdaily。com/how-human-sperm-fooled-scientists-for-350-years/

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

https：//eurekalert。org/pub_releases/2020-07/uob-hhs072420。php