人類精子如何游泳:像戲水的水獺螺旋前進

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 22 日 0:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


英國布里斯托大學(University of Bristol,UOB)與墨西哥國立自治大學(Universidad Nacional Autonoma de Mexico,UNAM)的研究人員,最近打破了生育科學領域人們對精子游動的普遍認知。

300 多年前,荷蘭科學家雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)使用早期顯微鏡觀察人類精子,對精子的描述是「有尾巴,游動時鞭子形狀的尾巴會像蛇擺動,彷彿鰻魚游泳。」

然而直到最近,科學家才發現這其實是視覺錯覺(optical illusion)。

UOB 的 Hermes Gadelha 博士及 UNAM 的 Gabriel Corkidi 博士、Alberto Darszon 博士,利用最先進的 3D 顯微鏡與數學計算,建立精子尾巴游動的 3D 模型,使用每秒記錄 55,000 幀影像的高速攝影機及帶壓電裝置的顯微鏡載物台,精子樣本能以極高的速率上下移動,同時研究人員自由地 3D 掃描游動精子。

研究結果揭示,其實精子是搖搖晃晃地螺旋向前游動,且尾巴只會朝單側轉動,雖然這看似讓精子原地繞圈,實際上精子找到適應此擺動方式的同時,還能向前游動。

新論文發表在《科學進展》(Science Advances)期刊。

▲ 300 年前到現在的精子游動模型。

UOB 工程數學系 Polymaths 實驗室(Polymaths Laboratory)負責人兼生育數學專家 Gadelha 博士說:「人類精子就像戲水的水獺,以螺旋方式在水中移動。精子會在游動時旋轉,而單側划水可使整體平衡並向前游動。」

用 2D 顯微鏡觀察精子時,由於精子快速游動及同時轉動造成觀察者錯覺,會誤以為精子左右對稱移動,雷文霍克 17 世紀時以顯微鏡觀察到的就是這種樣子,於是將精子移動方式描述為像鰻魚。

▲ 精子游動的 2D 模型。

▲ 精子游動的 3D 模型。

Gadelha 博士解釋:「我們發現精子找到一種方式補足游動時的不平衡與不對稱,精子在不對稱中建立對稱性,巧妙解決微觀尺度的數學問題。然而,似水獺的人類精子旋轉其實非常複雜,精子頭部旋轉時,尾部會繞著游泳的方向同時旋轉。這個運動過程在物理學稱為進動(precession),就像地球或火星自轉時,亦有自己的公轉軌道繞著太陽進動。」

目前無論臨床或研究使用的電腦輔助精液分析系統,都是看到精液運動的 2D 模式圖。就像雷文霍克第一次觀察精液並用該系統分析精液品質,仍因視覺錯覺而認為精子是以對稱性方式運動。

▲ 精子尾部的游動方式是以頭部為中心旋轉,以螺旋運動巧妙抵消單側擺動,亦即藉由不對稱達到對稱,使精子向前游動。(Source:polymaths-lab.com)

Gadelha 博士補充:「男性要為不孕負一半責任,因此了解精子尾部的運動是未來開發診斷工具、辨認不健康精子的基礎。」

這項研究徹底改變人們對精子的理解,亦會影響自然受精。時至今日,我們依然對環境複雜的女性陰道及精子游動如何影響受精所知甚少,研究團隊相信,先進的 3D 顯微技術會幫助我們揭開更多精子的神祕面紗,有朝一日,這項技術會廣泛應用到臨床醫學中心。

(首圖來源:shutterstock)

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