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精子“骗了”科学家350年!研究发现:精子像钻头那样螺旋游动

2021-10-24  火星科普

人类作为哺乳动物,繁衍后代的方式是有性生殖。2亿个精子开始游动,一路披荆斩棘,最后只有一个才能极其幸运地与卵子结合。同样都是携带23条染色体的精子和卵子相遇,然后结合成受精卵,最后发育成个体。那么,精子究竟是怎样游向卵子的呢?

对于精子的最早研究,要追溯到大约350年前的微生物学先驱——列文虎克。他通过自己打磨镜片,自行设计和制造了性能优异的显微镜,这开启了人类研究微生物的时代。

列文虎克采集了池塘中的水,放在显微镜下进行观测。他惊奇地发现,水中竟然有生命体在动来动去,这是人类第一次观测到细菌。此后,他又观测到了各种液体中的微生物。

列文虎克对生命诞生的奥秘颇感兴趣,他在显微镜下观测到了自己的精子,它们长得像蝌蚪一样,长着一条尾巴(鞭毛),可以像蝌蚪一样游动,他把观测到的结果手绘了下来。

此后,列文虎克又观测了其他哺乳动物、鱼类、鸟类等动物的精子,都发现了相同的现象。他据此推测,精子会穿透卵子,使其受精,从而孕育出新生命,这是人类第一次对生命的诞生有了准确的科学认识。

在列文虎克之后,科学家制造出越来越先进的显微镜,对于精子的研究还在继续。观测结果显示,精子的长度约为0.05毫米,其结构可以分为三大部分:头部、中段和尾巴。

精子的头部最前端被称为顶体,其中含有用于穿透卵子的酶。头部中存在细胞核,里面有23条染色体,有的包括一条X染色体,还有的包括一条Y染色体。中段存在线粒体,这是“细胞的发电站”,能够产生ATP,为精子活动提供能量。

精子的尾巴最长,位于中心的是轴丝,那里有动力蛋白。精子的尾巴可以不断摆动,产生让它们前进的动力。一般而言,精子在液体介质中的运动速度约为16至65微米/秒,也就是每分钟前进1至4毫米。

自第一次观测到精子以来,科学家就知道精子的细长尾巴可以左右扭动,就像蝌蚪那样,在液体中游动。然而,《科学进展》(Science Advances)杂志刊载的研究显示,精子的运动方式根本不是科学家此前所想象的那样。

研究显示,精子的头部和尾巴都在旋转,但不是同步的。之所以科学家被精子“欺骗”这么多年,是因为此前的研究都是2D的。通过3D成像技术,科学家捕捉到了精子在三维空间中的运动细节。

结果让人意外,精子的运动方式非常特别,就像螺旋前进的钻头那样,而非是蝌蚪那样的游动方式。只是在普通显微镜看来,精子的这种独特运动方式被误以为是尾巴左右摆动。

这就如同地球在银河系的星际空间中的运动方式,完全不是我们想象的那样。地球绕着太阳公转,每年转一圈。但事实上,地球在一年后并没有回到原来的空间,这是因为太阳本身也在带着地球在星际空间中运动。综合而言,地球在星际空间中的运动轨迹是螺旋形的。

就这样,精子一路螺旋前进,大约一个小时后到达输卵管。但这一路困难重重,有的精子游错方向,还有很大一部分无法适应酸性环境而失去活力。到达输卵管时,精子的数量从最初的2亿个骤降到只有几十上百个。

最后,只有一个精子可以幸运地穿透体积是其1000万倍的卵子。一旦卵子受精后,其他精子都会被排除在外。哪个精子最终能够受精,可能与卵子的偏好有关,《英国皇家学会学报B》(Proceedings of the Royal Society B)刊载的研究表明,卵子会为偏爱的精子“开后门”。

此后,受精卵开始发育。精子的作用不只是提供染色体,决定胎儿的性别,来自精子的基因还会控制胎盘的形成。受精卵不断分裂与增殖,逐渐发育成胚胎,最终孕育出了新的生命。

不管怎样,我们每个人来到这个世上都非常幸运,或者说我们每个人最初都非常成功,挤掉了另外2亿个竞争者,最后只有我们发育成了生命。

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