人類精子是怎樣游動的？三百多年來，科學(xué)家也可能被2D顯微鏡下的這類視野給欺騙。學(xué)界一直以為精子像蝌蚪或鰻魚那樣擺動尾巴前進。最近一項研究借助先進的高速攝影技術(shù)，發(fā)現(xiàn)這種印象其實是一種視錯覺，精子的運動方式實際上要更加復(fù)雜：它們的尾巴朝向一側(cè)擺動，頭部旋轉(zhuǎn)前進，平衡了尾部運動的不對稱。被戲稱為人類最早的浪漫“鉆頭”。

三百多年前的1677年，作為最早使用顯微鏡的人之一，列文虎克在顯微鏡下，看到精液中有一些運動著的“微生物”。他如此描述：

它們每一只都有一個鈍的頭，身體很長，拖著一條幾乎幾乎透明的尾巴。它們各自推動著自己前進，像一條蛇在移動，或者是一條泥鰍在水里游泳。

1677年一個秋日的夜晚，列文虎克和妻子正Makinglove。他“高潮射精后不足幾秒便立刻”跳起身來，帶著精液樣本直奔自己的顯微鏡。在顯微鏡下列文虎克看到“數(shù)以千計沙粒般大小的活體微型動物正在游動”。他并沒有告知英國皇家學(xué)會他的妻子對這項驚人發(fā)現(xiàn)做何感想。

一向高調(diào)發(fā)布研究成果的列文虎克，這次卻選擇低調(diào)行事。他提醒皇家學(xué)會這是他們的授意，而非他自己的本意。他還很反常地專門指出，這次實驗樣本是通過“正常夫妻性交”而非“不道德的自慰”獲得的。除了這些預(yù)防措施，列文虎克在信中寫道，他承認自己的觀察可能會讓人感到“惡心或傷風敗俗”。他讓皇家學(xué)會全權(quán)決定是公布還是銷毀這次研究結(jié)果。

此后的數(shù)百年間，生物學(xué)家對精子的認識逐漸有了質(zhì)的提升，從一開始精子頭部自帶著新生兒的荒誕想法，到后來確定其攜帶了一半遺傳物質(zhì)并且會與卵子結(jié)合，再到如今確定動力蛋白能夠給精子尾巴提供動力，激素能影響精子活動性等各種分子機制。人類探索到了越來越多關(guān)于這種“微生物”的秘密。

AntonyvanLeeuwenhoek安東尼·凡·列文虎克（1632-1723）

盡管一些細胞和分子層面的知識在不斷被刷新，但有一點，似乎絕大多數(shù)科學(xué)家都很少懷疑過，那就是最簡單的形態(tài)學(xué)知識——精子能夠通過擺動尾巴獲得前進的動力，并且尾巴的對稱性擺動方式類似于鰻魚，也就是左右對稱擺動前進。這一點，只要在顯微鏡下觀察過精子的科學(xué)家都不會質(zhì)疑。

并且，由于2D顯微鏡下觀察到人類精子游動時，尾部擺動產(chǎn)生的波形是對稱的，科學(xué)家曾推測在理想化的3D條件下，精子尾部的運行軌跡產(chǎn)生的波形應(yīng)該也是對稱的，就像我們平時開葡萄酒瓶的開瓶器一樣。

過去科學(xué)家認為，3D條件下精子的游動應(yīng)該是這種很對稱的螺旋

布里斯托大學(xué)（UniversityofBristol）的HermesGadelha博士、墨西哥國立自治大學(xué)（UniversidadNacionalAutonomadeMexico）的GabrielCorkidi博士和AlbertoDarszon博士采用最先進的3D顯微鏡和數(shù)學(xué)技術(shù)，率先重建了精子尾部的3D真實運動。

他們使用了一架每秒拍攝超過55000幀的高速相機，配合帶有壓電裝置的顯微鏡載物臺，以極高的速率上下移動樣品，拍攝了精子自由游動的3D圖像。

這項研究發(fā)表在ScienceAdvances《科學(xué)進展》雜志上，題為“Humanspermusesasymmetricandanisotropicflagellarcontrolstoregulateswimmingsymmetryandcellsteering”，研究揭示了精子的尾巴實際上是擺動的，并且只朝一側(cè)擺動。側(cè)向擺動似乎意味著精子只能繞圈游動，但精子已經(jīng)巧妙地適應(yīng)了這種方式，并找到了向前游動的方法。

論文作者之一Gadelha博士也是布里斯托大學(xué)工程數(shù)學(xué)系Polymaths實驗室的負責人、生育數(shù)學(xué)專家，他說：“人類的精子在游動時會同時滾動，就像在水里嬉戲的水獺一樣螺旋前進，這能夠平衡它們的單邊前進的情況，從而向前游動?！?/p>

這一結(jié)果也刷新了人類過去的認知：人類精子不是像海鰻一樣對稱性地擺動鞭毛，而是像海獺一樣的旋轉(zhuǎn)式游動——頭部往一側(cè)擺動旋轉(zhuǎn)，與此同時鞭毛也會跟著旋轉(zhuǎn)，也就是一種旋進過程，而這個過程并不是2D看到的對稱性游動。

2D觀測下，會誤以為人類精子像海鰻一樣左右（上下）擺動游動

實際上，精子游動方式類似海獺，頭部旋轉(zhuǎn)，身體（精子尾巴）同時旋轉(zhuǎn)。

研究一共觀測了30條【自由游動】的精子，從頭部正面的角度看，其中28個精子細胞（頭部）都會沿著一根軸進行逆時針轉(zhuǎn)動，鞭毛（尾巴）會以游動方向為軸進行同步旋轉(zhuǎn)。（這里為什么要強調(diào)“自由游動”，因為現(xiàn)在的主流觀察方式——拴菌實驗會固定精子的鞭毛，這會導(dǎo)致精子頭部和鞭毛無法轉(zhuǎn)動，因此加劇了誤解程度）

在3D條件下，科學(xué)家能通過多個平面來觀測精子以及鞭毛的擺動方式和波形。根據(jù)（x,y,z）軸組成的多平面來看，鞭毛的轉(zhuǎn)動在各平面產(chǎn)生的擺動特征都是各異的，例如在“b”平面和“z”平面上，鞭毛特征就明顯不一樣，顯示出各向異性，也就是3D條件下，鞭毛的擺動并不是一一對稱的，其在各個平面的表現(xiàn)并不一致，也不會形成很好對稱的標準螺線轉(zhuǎn)動。

而之所以之前會誤認為精子的擺動是對稱的，就是2D觀測時只能看到一個平面的信息，這種平面會給予觀測者一種對稱錯覺。（見下圖所示）

Corkidi博士和Darszon博士開創(chuàng)了這項用于觀察精子游動的3D顯微鏡技術(shù)。Corkidi博士說：“這真是令人難以置信的驚喜，我們相信先進的3D顯微鏡技術(shù)將揭示自然界中更多的秘密。有朝一日，這項技術(shù)將可用于臨床中心?！?/p>

Darszon博士說，“這項發(fā)現(xiàn)將徹底改變我們對精子活力及其對自然受精影響的理解。對于女性生殖道內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境，以及精子游動如何影響受精，我們?nèi)匀恢跎?。這些新工具使我們看到了精子具有的驚人能力?！?/p>

來源：環(huán)球科學(xué)、科研圈、列文虎克生平