精子像蝌蚪一样游泳研究显示精子螺旋式钻进液体中

文|科学虫洞

每个人在生命的开端都是一颗小小的受精卵，精子和卵子结合孕育之后才有了“人”。以前人们都认为精子是像蝌蚪游泳那样游向卵子的，但最新研究刷新了我们的认知：它是螺旋式前进的。

精子的发现者

如果是喜欢网上冲浪的小伙伴，那么一定不会对安东尼·列文虎克感到陌生。

我们经常用“列文虎克”来调侃一个人观察力强，就像拿着放大镜一样细致入微，而列文虎克本人是显微镜学家，也是微生物学的开拓者。

这位科学家是荷兰人，不仅具备特有的天赋，还十分勤奋，一辈子磨制了400多个透镜，品质远超过同时代人制作出的透镜。

他是首次发现微生物的人，并且用显微镜发现了纤维中存在细胞壁。同时，他也是精子的发现者。

作为最早使用显微镜的人之一，1677年，列文虎克在精液中观察到了一些微小的生物。他表示，那些“微生物”都有着钝钝的头和几乎透明的尾巴，它们像蛇、泥鳅游泳一样推动着自己前进。

距今300年前的一个夜晚，列文虎克正在跟妻子为爱鼓掌，高潮后没多久他便起了床，拿着收集到的精液样本冲向了自己的显微镜。

透过显微镜，呈现在列文虎克眼前的是数以千计的微型生物，它们在游动，大小看上去跟沙子差不多。这样的发现让列文虎克感到吃惊，但是他的态度却非常谨慎。

跟以往的研究比起来，他这次称得上小心翼翼，不仅强调样本的获取途径是“正常夫妻结合”而不是“不道德自慰”；还特意将信件译成拉丁文，并让皇家学会决定是否公布研究结果。

而在发现精子之后，列文虎克并没有意识到它跟生殖之间的关系，反而认为它是一种小动物。其他科学家亦是如此，他们认为精子是某种虫形生物。

在1827年，有科学家将精子称为“精虫”；3年后，《柳叶刀》期刊将其归类为肠道蠕虫。

此外还有一部分科学家认为，精子不是生物，而是防止精液凝固的搅拌棒。列文虎克对精子的研究没有停止，在后续的观察研究中，他将精子跟生命联系到了一块。

此后的许多年，生物学家们对精子的认识越来越清晰，对于精子如何运动这一问题，人们也有了一个普遍的概念。

只要是用显微镜观察过精子，科学家们都能看到这样一幕：精子通过摆动尾巴获取动力，之后像鳗鱼一样左右对称摆动前进。

但是，最新研究彻底推翻了这种认知，解开了被误解300多年的精子运动之谜。

如果不是在最先进的3D显微镜下，科学家可能意识不到，原来我们搞错了精子的运动方式300多年。

以往观察精子，人们普遍采用的是2D显微镜，而布里斯托大学、墨西哥国立自治大学的专家使用了最新的3D显微镜和数学技术，发现了精子的真实运动轨迹。

在每秒拍摄55000帧以上的高速相机之下，精子自由游动的图像被清晰完整地记录下来，这项研究发表在《科学进展》杂志上，刷新了所有人的认知。

以往在我们的印象中，精子就是像蝌蚪一样摆动尾巴前进的，再加上前者形状跟后者相似，人们便将精子称为“小蝌蚪”。

但是在这个最新的研究中我们可以看到，精子的尾巴只朝一侧摆动，并非左右摆动；在游泳的同时它们还会滚动。

也就是说，精子是螺旋式向前游动的，头部沿着一根轴逆时针旋转前进，尾巴也会以游动的方向为轴跟着旋转。

那么，为什么精子要以这种“钻头”一样的形势游动呢？科学家表示，精子所处环境非常恶劣，比如体液酸碱度、粘稠度不同等，并且人体可能处于运动状态，让它们的前进变得更难。

在复杂的环境下，精子必须找到最佳方式运动，而螺旋式前进能够极大程度降低能量的消耗，同时减少细胞纤毛对它前进的负面影响，最后历经艰难险阻跟卵子汇合。

总结

精子“欺骗”了科学家300多年，但我们得承认，列文虎克等科学家的贡献依然是伟大的，如果没有那些研究和观察，人们对这些微小物体不会有这么多的了解。

受限于2D显微镜等因素，他们误解了精子的运动轨迹；而今天的全新研究，则让我们对精子的认知往前迈了一大步。

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精子竟然不是左右摆动前进的，那它到底是如何前进的？

虽然人类很早就使用微生物来做一些有用的事情，例如，发酵过程，但直到17世纪显微镜发明之后，人类才知道了微生物的样子。1673年，“微生物学开拓者”列文虎克用自制的显微镜，首次观测到了微生物。

此后，列文虎克用显微镜观测了很多东西，其中包括他自己的精细胞，他在1677年首次发现了精子。在显微镜中，精子看起来宛如小蝌蚪，它们的尾巴（鞭毛）能够向两侧对称摆动，从而让它们可以向前运动。

为了到达目的地，长度仅为0.05毫米的精子需要游动漫长的距离，它们必须要足够努力地游动，因为它们只能存活大约三天。最终，2亿个精子中只有一个能够幸运地与卵子结合，所以每个生命从一开始就是胜利者，生命的诞生可谓是奇迹。

然而，就在科学家以为已经完全了解精子的行为时，一项新的研究结果让科学家认识到了一个巨大的错误。精子的尾巴并不是左右对称摆动，它们是采取螺旋前进的方式。也就是说，科学家被精子“欺骗”了长达343年。

为了研究精子的确切运动方式，科学家使用高速3D显微镜进行观测。这种成像系统每秒能拍摄超过5.5万帧图像，可以追踪运动的每个细节。对捕获到的图像进行建模分析，科学家就能知道精子尾巴的摆动方式。

结果表明，科学家一直以来误解了精子的运动方式。事实上，精子并非以尾巴左右摇摆的方式前进，而是以螺旋的方式。具体而言，精子的这种独特运动由两个独立的控制系统来主导。

一种是沿尾巴的不对称行进波，导致尾巴的摆动方向是单侧的。如果只考虑这个运动，精子就会绕圈游动。另外，尾巴上有规律的驻波还会让整个精子沿着游动方向旋转。总体而言，精子是螺旋滚动前进的，它们的头部旋转钻入周围的液体中，尾巴也会绕着中心轴旋转。

如果从2D角度看来，精子的这种独特运动方式，看来就像是尾巴左右摆动。这项研究表明，列文虎克当年所看到的精子尾巴左右摆动只是一种视错觉，解决了3个世纪以来关于精子如何推动自身前进的误解。

这样的结果确实令人感到意外，没想到一个看似常识的现象其实是假象。只有当我们从更高维度来观测精子的运动时，才会知道实际情况。当然，随着研究技术的进一步提升，现在所观测到的现象可能也是某种假象，但会比过去的认识更接近现实。

对精子运动方式的研究，还能启发仿生学的发展。精子的运动能力很强大，科学家试图以此为模板，制造出独特的游泳机器人，这也许会带来全新的技术变革。

这种微小的机器人可以在血管中游动，把药物直接送到该去的地方，这显然能够大幅提升效果。想要最终研制出游动能力非常强的机器人，对于精子运动方式的深入研究十分有必要。

错了340年，精子游泳的方式究竟是怎样的？

来自英国布里斯托大学和墨西哥国立自治大学的国际研究人员使用3D显微镜和先进的数学分析，发现人精子尾巴的蛇状运动是一种错觉。精子的尾巴实际上不是向一侧移动，而是仅向一个方向旋转。但如果不进行其他调整，单侧的旋转将导致精子无法到达雌卵。因此作为运动补偿，科学家们发现，精子的身体或头部独立地沿相反方向旋转，从而使整个细胞沿直线向前移动。

每个精子细胞都像旋转的陀螺一样移动，绕着自己的轴以及中轴旋转，精子利用不对称来创造对称性。精子尾巴不对称地移动，仅使尾巴向一侧摆动，因而精子在三维上进行旋转。为了准确了解精子细胞的运动方式他们将精子溶液放置在稳定的3D显微镜中，以扫描运动，他们还将压电设备连接到3D显微镜。通过对所有机器收集的组合数据进行高级数学转换，科学家可以找到运动平均值并探索尾巴的真实运动。

事物的形态是为要执行的工作而设计的，为了真正理解精子，必须在预期的选择性环境中观察该现象，即女性生殖道，科学家也需要对其进行更多研究。科学家们对精子运动的基本分子生物学了解得越准确，医生就越能更好地解决与不育相关的运动问题。科学家们希望从该领域的未来工作中获得的知识将有助于为患者提供更少积极的生育治疗选择，提高他们在疾病情况下受孕的机会。