文|鲸探所
编辑|鲸探所
你知道精子是怎么游动的吗？
你是不是也以为精子是左右摆动尾巴游泳？
事实上，传统的认知误导了我们多年。
有研究发现，精子头部实际上是在不断旋转，尾巴绕着游泳轴滚动前进，而不是简单的左右摆动。
这又是怎么回事呢？
17世纪，荷兰科学家列文·虎克发明了显微镜，这为人类首次观察到了精子打开了大门。
1677年，虎克在观察自己的精液时，惊奇地发现了无数活动的微小“生物”，它们拥有大头小尾，在液体中不断蠕动，犹如蛇一般扭动、鳗鱼一般蜿蜒。
当时他感叹这些精子就像水中的小蛇或鳗鱼，通过摆动尾巴进行游动。
虎克对这些“生物”充满好奇，但并不知道它们的功能，于是试图用显微镜描绘它们的形态，却因为技术所限，只能凭直觉进行手绘。
在他的素描中，这些精子形似鱼类，正左右摆动着尾巴在液体中游动。
100年后，另一位科学家哈特索克参考虎克的研究成果，提出精子与人类生殖之间的联系，他认为精子中住着小人，进入女性体内后长大成人。
这一“精子假说”解释了精子的功能，也因当时还未发现卵子而存在明显漏洞。
19世纪，科学家终于发现了卵子，观察到了精卵结合。
而在此之前，对于精子的运动形态，科学界一直沿用虎克的说法，认为精子是通过左右摆动尾巴前进，像蛇或鳗鱼一样蠕动身体。
这一“蛇尾假说”并未引起质疑，毕竟在显微镜下确实能观察到类似的运动模式。
随着显微镜技术的进步，科学家可以更清晰地观察精子，但关于它们的运动方式，150多年来一直未有改变。
在科学界，“蛇尾假说”已成定论，没有人怀疑虎克当年的手绘是否准确反映了精子的运动真相。
直到2020年，墨西哥科学家利用新技术重新研究精子的运动，结果发现虎克以来的“蛇尾假说”其实是错的！
原来精子并非左右摆尾，而是以一种螺旋式的方式向前钻进。
“蛇尾假说”竟然骗过了科学界300多年之久！
随着显微镜技术和高速摄像技术的进步，研究人员发现，人类精子的运动方式与长期以来的认知有很大不同。
原来，它们并不是简单地左右摆动尾巴推进，而是以一种类似钻头的方式在液体中旋转前进。
2020年，墨西哥国立自治大学的研究团队利用3D显微镜和每秒55000帧的高速相机，发现精子的前进方式更像一个迷你小钻头——它以螺旋形式旋转着前进，而头部也在缓慢转动。
这一发现打破了人类对精子运动方式的普遍印象。
让人奇怪的是，为何精子选择这种看似古怪的运动方式？
研究人员指出，这恰恰是长期自然选择的结果。
和左右摆动不同，螺旋旋转可以适应子宫中多变的环境，如粘稠度不同的液体，帮助精子节省能量跨越“障碍”，最终达成受精的目标。
实际上，精子的尾巴和头部运动是两种独立的机制控制的，尾巴提供螺旋推进的动力，而头部以不同的节奏转动，这有助于抵消尾巴单边摆动造成的不平衡。
给精子提供能量的是其体内大量的线粒体，就像迷你电池一样。
为了充分利用有限的体积，这些线粒体呈螺旋状排布，精子需要储备足够的“燃料”，因为从出发到完成受精的旅程长达15-18厘米，沿途还布满“陷阱”，超过99%的精子都无法完成最后的任务。
也就是说，只有一种高效的运动方式才能在能量极为有限的情况下完成任务，而旋转钻进液体可以最小化阻力，这正是精子高度进化的专业“本领”。
另外，虽然长期以为精子竞争越快越好，但事实上速度并不能决定胜负，真正起决定作用的，是卵子在众多精子到达后进行的筛选。
所以，我们每个人的存在并不意味着在过去的精子大竞赛中获得了第一名。
300多年来，我们对精子推进方式的误解也许可以理解，毕竟精子太小了，长仅50微米，其高速旋转难以用肉眼观察。
现在，高科技才揭开了这个迷你生命的奥秘，让我们得以一窥精子不可思议的生存之道，精子的这一发现使人类对生命的奥秘又近了一步。
每次男性射精会产生约5500万个精子，但能到达卵子的极少，高达数亿精子的大军中，只有极少数最终能和卵子结合。
精子在到达卵子之前，需要在女性生殖系统内艰难求生，从射精到子宫，大批精子会在途中被淘汰。
精子要适应阴道的酸性环境，子宫颈粘液对它们也是重重阻隔，进入子宫后，白细胞会*死部分精子，而女性身体对精子也有天然的防御。
即便成功进入输卵管，精子也难免误打误撞，因为女性一个月只排出一个成熟卵子，而且卵子不一定出现在同一侧输卵管，所以大量精子在没遇到卵子的管道里白跑一趟。
巴西数学家加德尔哈曾建立数学模型，为的就是准确描绘精子的蠕动规律。
他发现精子尾巴的“连通弹簧”在游动时会传输机械信息，不同部位以不同方式弯曲，尾部甚至会呈现与头部相反的弯曲方向。
当精子头部转动时，尾巴的末端会产生相反的弯曲，这也被称为“逆倾向”，但也正是这种尾巴的蠕动为精子提供了动力，帮助它在宫颈粘液中前进。
除了本身的“舵手”之外，精子还面临卵子的“筛选”，一些研究表明，卵子可能会倾向吸引或排斥某些基因的精子。
而生殖过程中所涉及的维生素新陈代谢，可能会在精卵细胞表面形成重要的信号分子，从而改变两者的吸引程度。
加德尔哈综合运用数学逻辑、物理学、工程学等知识，设计出了描述精子运动的数学公式，他指出，精子头计算出运动方向后，尾巴这台“软机器”负责执行。
利用数学模型描绘精子结构与蠕动，不仅有助于理解生殖过程，也为设计仿生软机器人提供启发。
毕竟精子全凭身体计算实现运动，没有大脑参与，正是软机器人所追求的。
不过，加德尔哈的模型是否能完全描述精子运动还有待验证，随着显微技术的进步，科学家可以在显微和纳米尺度更清晰地观察精子结构，发现一些影响运动的新机制。
还有人发现不同种群和个体的精子形态参数可能也存在差异，加德尔哈的模型是否具有普适性还需收集更多数据进行检验。
当下，许多科学家正致力于开发出新型的精子活力检测技术，这些技术可以测量单个精子的运动参数，评估其质量好坏，为治疗男性不育提供帮助。
与传统观察精子总体活力的方法相比，这种精准检测能提供更有价值的信息，或许在未来，这项技术或许还能检测出精子DNA损伤，为优生优育筛选健康精子。
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