研究人员发现人类精子是怎么游泳的

从上面看时，精子会产生游泳错觉。精子的尾巴似乎从一侧对称地移动到另一侧。自三个多世纪前的安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）于1677年首次观察到这种现象以来，就确立了这种关于精子运动方式的观点。

精子是怎么游泳的

1677年，荷兰科学家和第一台复合显微镜的发明者安东·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）终于在同事的压力下使用了该工具检查自己的精液。他所描述的令人费解的“动物”将被称为单个精子细胞或精子。每个人的头都圆了，范·列文虎克（van Leeuwenhoek）想，那条尾巴左右移动以使它穿过液体。到目前为止，科学家对人类精子运动的了解几乎都基于van Leeuwenhoek的原始观察结果。但是今天发表在《科学进展》上的一篇论文颠覆了大约350年关于生殖的假设，而这些假设是生物学功能中最重要的。

锡拉丘兹大学（Syracuse University）研究精子生物学的进化生物学家斯科特·皮特尼克（Scott Pitnick）说：“在了解精子功能生物学的整个历史中，几乎都存在完全错误的信息，需要纠正，但这是一个真正的挑战。” 研究。“这是真正地应对挑战并解决复杂问题的首批研究之一。”

来自英国布里斯托大学和墨西哥国立自治大学的国际研究人员使用3-D显微镜和先进的数学分析，发现人精子尾巴的蛇状运动是一种错觉。精子的尾巴实际上不是向一侧移动，而是仅向一个方向旋转。如果不进行其他调整，单向划动将导致精子绕圈游泳，并且永远不会到达雌卵的目的地。作为补偿，科学家发现，精子的身体或头部以开瓶器状的运动独立地沿相反方向旋转，从而使整个细胞沿直线向前移动。

布里斯托尔大学Polymaths实验室负责人，该研究的主要作者说：“我们不希望找到我们发现的东西。” “该项目的目的是开展'蓝天'（或广泛）研究，以了解精子如何在三个方面运动。结果完全改变了我们的信念体系。”

van Leeuwenhoek对精子运动的描述的局限性并不是他自己的错。他当时使用的是最先进的技术。“要想看到真正的运动，就必须和细胞一起游泳，而这样做的方式几乎就像是可以购买GoPro摄像机并将其连接到精子的头部，然后观察尾巴，”加德哈说。

为了准确了解精子细胞的运动方式，Gadêlha和他的团队将精子垂直悬浮在溶液中。他们将精子溶液放置在稳定的3-D显微镜中以扫描运动，因为高速相机在许多角度每秒记录超过55,000帧。他们还将压电设备（通过将这些特性转换为电荷来测量压力，加速度和力的变化）连接到3-D显微镜。该设备以亚微米级的分辨率（小于百万分之一米）收集了有关精子运动的信息。通过对所有机器收集的组合数据进行高级数学转换，科学家可以找到运动平均值并“看到”尾巴的真实方向性。

每个精子细胞都像旋转的陀螺一样移动，绕着自己的轴旋转，也绕着中轴旋转。Gadêlha说：“自然告诉我们的是，有多种方法可以实现对称。” “精子利用不对称来创造对称性。”

人的精子不是唯一以这种方式起作用的微生物-小鼠和大鼠的精子以及衣藻的鞭毛（一种绿藻）也具有不对称运动和潜在的不对称形状。Gadêlha说，这可能表明物种间组织结构的普遍性。

精子的运动是否是最有效的游泳方式很难量化。“我们喜欢认为自然正在优化事物，但我们始终必须记住，存在许多竞争方面。精子细胞不仅要游动并寻找卵子，还必须寻找化学线索，对不同的粘度做出反应，然后激活。”Gadêlha说。“在每个阶段，您都需要一种新的超级功能，使您能够执行这些操作。”

皮特尼克说，要了解生物体内结构机制的演变，就在于了解熟悉的形式拟合功能的生物学概念。事物的形状是为要执行的工作而设计的。为了真正理解精子，必须在预期的选择性环境中观察该现象，即女性生殖道，科学家也需要对其进行更多研究。“女性是一个复杂的三维环境。”皮特尼克说。“而且我们对此并不十分了解，并且在某种程度上，这只是生物学史上一种古老的、,亵的男性偏见。”

医生认为，这项新发现显示了精子移动如何帮助治疗不育症，这种疾病影响了全球约5000万对夫妇。男性生物学因素仅占不育病例的20％至30％，在全部不育病例中占50％。尽管如此，这些统计数据还是基于IVF和其他生育治疗数据普遍的国家而有偏差，因此精子因素甚至可能比记录的更为重要。“ [男性不育]确实很普遍，也许比普通民众所意识到的更为普遍，” Cori Tanrikut说，是马里兰州Shady Grove生育中心的生殖泌尿科医生。“现在，如果您想考虑这项研究，目前，我们改善或优化精子活力的方法确实很有限。”

丹里库特说，科学家们对精子运动的基本分子生物学了解得越准确，医生就越能更好地解决与不育相关的运动问题。她希望从该领域的未来工作中获得的知识将有助于她为患者提供更少积极的生育治疗选择，甚至提高他们在无助的情况下受孕的机会。

Gadêlha和他的团队的发现的含义也可能远远超出本研究所显示的关于精子的范围。作为生物体的细胞会进行无意识的计算和校正，并根据其周围条件调节扭矩和运动方式。了解这些机制可以为软机器人研究和材料科学提供信息。例如，加迪拉（Gadêlha）的一名学生正在研究身体的细微，无法察觉的振动在开发脚和踝关节假肢方面如何有用。