300年的科學誤解:精子游動並非蝌蚪式?

鞭毛鞭打驅動精子穿過女性生殖道,對生殖至關重要,而精子如何穿過女性的生殖道得以最終受精,就涉及到一個關於精子運動方式的問題。

由於精子蝌蚪一樣的外觀,圓圓的頭部後面跟着一條長長的尾巴,加上百年來2D顯微鏡下的影像,使得科學界的主流觀點一直認爲精子是通過擺動尾巴獲得前進的動力,並且尾巴的對稱性擺動方式類似於鰻魚,也就是左右對稱擺動前進。

而7月31日,來自布裏斯托爾和墨西哥的研究人員在生育科學上的突破卻打破了普遍接受的精子“游泳”的觀點,認爲“眼睛欺騙了我們”。

布裏斯托爾大學的Hermes Gadelha博士、墨西哥國立自治大學的Gabriel Corkidi博士和Alberto Darszon博士利用最先進的3D顯微鏡和數學,率先在3D中重建了精子尾部的真實運動。他們使用一個能夠在一秒鐘內記錄超過55000幀的高速照相機,以及一個帶有壓電裝置的顯微鏡臺,以難以置信的高速度上下移動樣本,他們能夠以三維的方式掃描自由遊動的精子。

這項突破性的研究發表在《科學進步》雜誌上,揭示了精子的尾巴實際上是搖搖欲墜的,而且只是一邊擺動。雖然這意味着精子的單側划水會讓它繞圈子游動,但精子已經找到了一種巧妙的適應和向前遊的方法。

布裏斯托爾工程數學系多元數學實驗室負責人、生育數學專家加德爾哈博士表示,精子已經發展出一種游泳技術來彌補其畸形,並在這一過程中巧妙地解決了微觀尺度上的一個數學難題:通過從不對稱中創造對稱。

事實上,人類精子像水獺一樣旋轉是複雜的:精子頭部旋轉的同時,精子尾部圍繞游泳方向旋轉。這在物理學中被稱爲歲差,就像地球和火星的軌道繞着太陽進動一樣。

目前在臨牀和研究中使用的計算機輔助精液分析系統仍然使用二維視圖來觀察精子運動。因此,像列文虎克的第一臺顯微鏡一樣,研究人員在評估精液質量時仍然容易產生這種對稱的錯覺。而此次的發現,以新穎的3D顯微鏡技術與數學相結合的應用,可能爲揭開人類生殖祕密提供了新的希望。

另外,由於超過一半的不孕是由男性因素造成的,瞭解人類精子尾部是開發或許將成爲未來診斷工具以識別不健康精子的基礎,這一發現也將徹底改變我們對精子運動及其對自然受精的影響的理解。此外,關於女性生殖道內複雜的環境以及精子游動如何影響受精過程,人們知之甚少。而這些新工具讓我們看到了精子的驚人能力。

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