科学家根据精子的运动规律，写出一个神奇的数学公式

来自约克大学、伯明翰、牛津以及京都大学的研究者基于精子头部和尾部的周期性律动写出了一个神奇的数学公式，简化了研究精子运动的过程，有助于精子在流体中运动的研究和理解，也有助于精子到达卵细胞过程中的路径预测。

该研究团队可谓是来自“五湖四海”的鸡尾酒团队，他们发现精子的尾巴能够创造一种律动来推动精子向前运动，也能够以一种协调的方式将精子的头部向后拽或是向旁边偏转。

研究的另一部分则是流体运动分析，因为成功的受精意味着有一个精子成功地通过在流体（生物液体）中的运动到达卵细胞，那么精子在流体中的运动就是十分关键的研究了，当然此类研究也比较复杂。其实，采用常规的观察仪器来理解和研究精子的运动和相互作用是远远不够的，而研究团队的目的就是采用新发现的数学工具来解释这一系列问题。

该研究结果将以论文的形式发表在著名学术期刊《物理评论快报（Physical Review Letters）》上。这不仅在理论上对流体运动仿真和多体运动仿真提供了新思路，也对男性不育症的研究提供新的方向。

简化问题

研究团队中赫尔墨斯·盖德哈（Hermes Gadêlha）博士隶属于约克大学数学系，他向记者简单叙述了研究的过程：

首先，为了在微观视角观察精子向前运动的机制，我们采用了复杂的高精度的显微技术来观察精子的运动。在观察完毕后，精子尾部的运动被研究团队数字化并写入了开发的计算机模型中，用于理解精子尾部运动所带动的流体运动。

然后，我们采用数值计算仿真来确定精子周围的流体是怎样运动的，不过因为流体的结构比较复杂，记录的数据都是经过特殊处理后才进行仿真的。我们的样本也十分庞大——我们一共在样品中发现了约5500万个精子，那么要同时对它们的运动进行建模可想而知是非常难的一件事。这也是我们想要写出一些公式，开发一些数学工具来简化研究过程，能让我们更容易理解和预测精子的运动。研究的结果也能告诉我们为什么一些精子成功到达了目的地，而其他的却失败了。

其实，研究精子运动和在精子周围产生的流体运动还是比较复杂的：分开来说两项研究都是微观层面的研究，仿真和观察要求的精度较高；另一方面，这两种运动还存在相互作用，如何分离研究对象也是难题。

研究团队采用了统计学工具“主成分分析（Principal Component Analysis）”，论述分离研究对象的可能，将研究对象首先分离成两部分，之后再采用“边界元法（Boundary Elements Method）”来研究精子运动以及精子周围产生的流体运动之间的关系，并以此得出了精子运动时周围的流场分布。

协调的节奏

在研究了精子头部和尾部的运动后，研究人员发现精子在流体中移动时还存在一种有着协调节奏的摆动，而这恰恰能用一种相对简单的公式来表达。研究精子运动时的流体运动，也可以采用相对简单的电脑仿真程序。

研究结果表明，精子能够向多个方向进行往复运动，例如向前和向后，并以这样的方式来接近卵细胞。运动的产生还要靠精子的尾巴——鞭毛，这常见于一些细菌的细胞壁上，一般与运动有关。而精子的鞭毛有着一种十分独特的周期性运动方式——带动精子头部向后或向旁边摆动，能在精子周围产生一种忽动忽停的流场。精子在流体中运动时，也是借助这样的流场来减少因为小尺寸而带来的摩擦力。

对于精子在流体中的移动，盖德哈博士说：“的确，科学家认为一个精子到达卵细胞就像发生了奇迹一样，但是我们不得不赞叹人的身体是十分精密的一套系统，它能保证精子和卵细胞就一定能碰到一起。精子看似无规律的摆动感觉应该会对周围的流体也产生毫无规律的影响，并且对精子在流体中的运动也会形成阻碍。但是，结果并非如此，精子周围的流体以一种近乎完美的方式在运动，甚至还能帮助精子的运动。“

“这也意味着，精子的无规则摆动实际上是与流体运动相协调的，形成的流场和磁极形成的磁场很像。所以，即使流体的粘滞力理论上会对精子的移动产生影响，不过冥冥中注定，只有那些选定了的精子能够与周围的流体相协调，飞速向前游动。”

其实，研究团队现在能够利用数学公式来预测单个精子的运动了，下一步的研究计划就是将此模型推广到更大数量的精子运动研究中。研究团队认为这样的研究也将有利于开发新的治疗不孕不育疗法。

参考文献：

K Ishimoto，H Gadelha，E Gaffney，D Smith，J Kirkmanbrown. Coarse-graining the fluid flow around a humansperm [J]. Physical Review Letters. Accepted Paper, 2017.02

来源：DeepTech深科技