精子如何游動(dòng)？如何導(dǎo)航？精子由什么構(gòu)成？二戰(zhàn)密碼破譯員與此有何關(guān)聯(lián)？為何我們對這個(gè)神秘細(xì)胞知之甚少。

每一次心跳的間隙，一名男性就能產(chǎn)生大約1000個(gè)精子——而在性交過程中，超過5000萬無畏的“游泳健將”出發(fā)去完成受精卵子的使命。只有少數(shù)能到達(dá)最終目的地，然后一個(gè)精子贏得比賽并穿透卵子。

但是，關(guān)于這段史詩般的旅程以及這些微觀探索者本身，科學(xué)界仍有許多未解之謎。

“精子如何游動(dòng)？它如何找到卵子？它如何使卵子受精？”英國鄧迪大學(xué)的糖尿病內(nèi)分泌學(xué)和生殖生物學(xué)臨床高級(jí)講師莎拉·馬丁斯·達(dá)席爾瓦問道。在精子被發(fā)現(xiàn)近350年后，令人驚訝的是，這些問題中的許多仍然存在爭議。

利用新開發(fā)的方法，科學(xué)家們現(xiàn)在正追蹤精子的遷移過程——從它們在睪丸中的生成一直到在女性體內(nèi)使卵子受精。研究結(jié)果帶來了突破性的新發(fā)現(xiàn)，從精子真正的游動(dòng)方式到它們進(jìn)入女性體內(nèi)后發(fā)生的驚人巨大變化。

“精子與地球上所有其他細(xì)胞‘非常、非常不同’，”馬丁斯·達(dá)席爾瓦說。“它們不以相同的方式處理能量。它們不具備我們在所有其他細(xì)胞中期望找到的那種細(xì)胞新陳代謝和機(jī)制。”

由于精子細(xì)胞需要執(zhí)行多種多樣的功能，它們比其他細(xì)胞需要更多的能量。此外，精子需要靈活，以便能夠響應(yīng)環(huán)境信號(hào)以及在射精過程和沿女性生殖道旅程中直至受精前的不同能量需求。

馬丁斯·達(dá)席爾瓦補(bǔ)充道，精子也是唯一能在體外存活的人類細(xì)胞。“因此，它們極其特化。”然而，她表示，由于尺寸微小，這些細(xì)胞非常難以研究。“我們對生殖了解很多——但也有大量我們尚未理解的東西。”

在近350年的研究中，一個(gè)基本問題仍未得到解答：精子究竟是什么？

“精子被包裝得極其精妙，”英國諾丁漢大學(xué)生殖與發(fā)育生理學(xué)副教授亞當(dāng)·沃特金斯說。“我們通常認(rèn)為精子是長在尾巴上的一個(gè)DNA袋子。但正如我們開始意識(shí)到的，它是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的細(xì)胞——里面有很多[其他]遺傳信息。”

精子科學(xué)始于1677年，當(dāng)時(shí)荷蘭微生物學(xué)家列文虎克通過他自制的500臺(tái)顯微鏡之一觀察時(shí)，看到了他稱之為“精液小動(dòng)物”的東西。他在1683年得出結(jié)論，包含微型完整人類的并非如先前所相信的卵子，而是人“來自男性種子中的一個(gè)小動(dòng)物”。到1685年，他認(rèn)定每個(gè)精子都包含一個(gè)完整的微型人，并擁有其“活生生的靈魂”。

近200年后，在1869年，瑞士醫(yī)生兼生物學(xué)家約翰內(nèi)斯·弗里德里希·米舍爾在研究從醫(yī)院臟繃帶上的膿液中收集的人類白細(xì)胞時(shí)，在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了他稱之為“核素”的物質(zhì)。“核素”一詞后來改為“核酸”，最終成為“脫氧核糖核酸”——即“DNA”。

為了進(jìn)一步研究DNA，米舍爾轉(zhuǎn)向精子作為他的來源。特別是鮭魚精子，由于其細(xì)胞核特別大，是“一種極好且更宜人的核物質(zhì)來源”。他在嚴(yán)寒中工作，保持實(shí)驗(yàn)室窗戶敞開，以避免鮭魚精子變質(zhì)。1874年，他鑒定出精子細(xì)胞的一種基本成分，他稱之為“魚精蛋白”。這是對構(gòu)成精子細(xì)胞的蛋白質(zhì)的首次窺見。然而，科學(xué)家們又花了150年才鑒定出精子的全部蛋白質(zhì)組成。

自那時(shí)起，我們對精子的理解突飛猛進(jìn)。但沃特金斯說，許多仍然是個(gè)謎。他補(bǔ)充道，隨著科學(xué)家們開始更好地理解早期胚胎發(fā)育，他們意識(shí)到精子不僅傳遞父親的染色體，還傳遞表觀遺傳信息——這是影響基因如何及何時(shí)被使用的額外信息層。“它確實(shí)能影響胚胎的發(fā)育，以及這些精子所產(chǎn)生的后代的終生軌跡，”沃特金斯說。

精子細(xì)胞從青春期開始形成，在睪丸內(nèi)稱為生精小管的管道中制造。

“如果你觀察制造精子的睪丸內(nèi)部，它開始時(shí)只是一個(gè)看起來和其他細(xì)胞沒什么區(qū)別的圓形細(xì)胞，”沃特金斯說。“然后它經(jīng)歷這種戲劇性的變化，變成了帶有尾巴的精子頭部。人體內(nèi)沒有其他細(xì)胞會(huì)以如此獨(dú)特的方式改變其結(jié)構(gòu)和形狀。”

精子在男性體內(nèi)大約需要九周時(shí)間才能成熟。

未被射出的精子細(xì)胞最終會(huì)死亡并被身體重新吸收。

但幸運(yùn)的那些被射出——然后冒險(xiǎn)開始了。

射精后，這些微小細(xì)胞中的每一個(gè)都必須（與它們的5000萬競爭者一起）利用其尾狀附屬物向前推進(jìn)，游向卵子。盡管你可能看過很多像蝌蚪一樣的精子游動(dòng)的視頻，但事實(shí)上，科學(xué)家們才剛剛開始理解精子真正的游動(dòng)方式。

以前認(rèn)為精子的尾巴——或稱鞭毛——像蝌蚪一樣左右擺動(dòng)。但在2023年，英國布里斯托大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，精子尾巴的運(yùn)動(dòng)模式遵循了數(shù)學(xué)家兼二戰(zhàn)密碼破譯員艾倫·圖靈發(fā)現(xiàn)的模式形成模板。

1952年，圖靈意識(shí)到化學(xué)反應(yīng)可以創(chuàng)造模式。他提出，兩種生物化學(xué)物質(zhì)相互移動(dòng)和反應(yīng)可以用來解釋自然界中最引人入勝的一些生物模式形成——包括在指紋、羽毛、樹葉和沙紋中發(fā)現(xiàn)的模式——這個(gè)想法被稱為他的“反應(yīng)-擴(kuò)散”理論。利用3D顯微鏡，布里斯托的研究人員發(fā)現(xiàn)，精子的尾巴——或鞭毛——是波動(dòng)的，產(chǎn)生沿著尾巴傳播的波以推動(dòng)其前進(jìn)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榱私饩尤绾芜\(yùn)動(dòng)可以幫助科學(xué)家理解男性生育能力。

現(xiàn)在，精子開始行動(dòng)了。它們穿過子宮頸，進(jìn)入子宮，然后上行到輸卵管——卵子通過這些管道下行到達(dá)子宮，在人類女性中稱為輸卵管——以尋找卵子。但在這里我們遇到了另一個(gè)知識(shí)空白，因?yàn)榭茖W(xué)家們并不完全理解精子究竟是如何找到通往卵子的道路的。

健康且選擇正確路線的精子非常罕見。許多在女性身體的迷宮中走錯(cuò)了路——甚至從未接近目標(biāo)線。對于那些確實(shí)找到通往輸卵管的路徑的精子，科學(xué)家們認(rèn)為它們可能是由卵子釋放的化學(xué)信號(hào)引導(dǎo)的。最近的一個(gè)理論是，精子可能利用味覺受體“嘗”著味道找到卵子。

一旦精子找到卵子，挑戰(zhàn)并未結(jié)束。卵子被三層“盔甲”包圍：放射冠，一層細(xì)胞陣列；透明帶，一層由蛋白質(zhì)構(gòu)成的果凍狀墊子；最后是卵細(xì)胞質(zhì)膜。精子細(xì)胞必須利用其頂體中含有的化學(xué)物質(zhì)一路戰(zhàn)斗穿過所有層次。頂體是精子頭部的一個(gè)帽狀結(jié)構(gòu)，含有能消化卵細(xì)胞外膜的酶。然而，是什么觸發(fā)了這些酶的釋放仍是一個(gè)謎。

接著，精子利用其“頭部”的一個(gè)尖刺試圖突破進(jìn)入卵子，同時(shí)猛烈擺動(dòng)尾巴以迫使自己前進(jìn)。最后，如果一個(gè)精子接觸到卵細(xì)胞膜，它就會(huì)被吞沒并完成受精過程。

人類細(xì)胞是二倍體。這意味著它們包含兩套完整的染色體，一套來自父親，一套來自母親。如果超過一個(gè)精子與卵子融合，就會(huì)發(fā)生一種稱為多精入卵的狀況。非二倍體細(xì)胞——染色體數(shù)量不正確的細(xì)胞——將會(huì)發(fā)育，這對發(fā)育中的胚胎是致命的。

為了防止這種情況發(fā)生，一旦一個(gè)精子細(xì)胞與卵子接觸，卵子會(huì)迅速啟動(dòng)兩種機(jī)制。首先，它的質(zhì)膜迅速去極化——意味著它產(chǎn)生了一個(gè)電屏障，其他精子無法穿越。然而，這只是短時(shí)間有效，之后會(huì)恢復(fù)正常。這時(shí)就需要皮層反應(yīng)了。鈣離子的突然釋放導(dǎo)致透明帶——卵子的“細(xì)胞外衣”——變硬，形成一道無法穿透的屏障。

因此，在出發(fā)的數(shù)百萬精子中，最多只有一個(gè)能完成它的使命。精子的史詩旅程以它與卵子的融合而告終。如今，研究人員仍在試圖揭示可能負(fù)責(zé)精子-卵子識(shí)別、結(jié)合和融合的細(xì)胞表面蛋白的身份和作用。近年來，已有幾種蛋白質(zhì)被確定（盡管是在小鼠和魚類中）對這一過程至關(guān)重要，但涉及的許多分子仍然未知。所以，目前，精子和卵子如何相互識(shí)別，以及它們?nèi)绾稳诤希匀皇歉嗌形唇鉀Q的謎團(tuán)。

紐約錫拉丘茲大學(xué)生物學(xué)教授斯科特·皮特尼克表示，研究人員希望闡明精子奧秘的一種方法是研究人類以外的物種。人類精子細(xì)胞是微觀的，因此我們無法用肉眼看到它們。但某些果蠅物種產(chǎn)生的精子細(xì)胞是其自身體長的20倍。那就像一名男子產(chǎn)生一條40米長的蟒蛇那么長的精子。

皮特尼克改造了果蠅精子的頭部使其發(fā)光。這意味著他可以在它們穿過解剖后的雌蠅生殖道時(shí)觀察它們，從而在分子水平揭示受精的新細(xì)節(jié)。

“為什么某些物種的雄性會(huì)產(chǎn)生少量巨型精子？”皮特尼克問道。“答案，事實(shí)證明，是因?yàn)榇菩赃M(jìn)化出了偏愛它們的生殖道。”他補(bǔ)充說，這“算不上真正的答案”，因?yàn)樗皇前褑栴}轉(zhuǎn)向了：為什么雌性會(huì)這樣進(jìn)化？“我們對此仍然完全不了解。”

但這確實(shí)告訴我們，存在于雄性體內(nèi)的精子只是故事的一半，皮特尼克說。“歷史上科學(xué)中存在巨大的性別偏見。一直存在著這種令人發(fā)指的、偏向于雄性特征的男性關(guān)注焦點(diǎn)。但事實(shí)證明，驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的是雌性的進(jìn)化——而雄性只是在努力跟上。”

皮特尼克說，精子是地球上最多樣化、進(jìn)化最快的細(xì)胞類型。為什么精子經(jīng)歷了如此劇烈的進(jìn)化，是一個(gè)困擾生物學(xué)家一個(gè)多世紀(jì)的謎。

“事實(shí)證明，雌性生殖道是一個(gè)極其快速進(jìn)化的環(huán)境，”皮特尼克說，“而我們對于精子在雌性體內(nèi)做了什么了解不多。那是一個(gè)巨大的、隱藏的世界。我認(rèn)為雌性生殖道是性選擇、理論和物種形成[新物種形成的過程]中最大的未探索前沿。”

皮特尼克提出，果蠅的長尾精子可以被視為一種裝飾品——就像鹿的角或孔雀的尾巴一樣。

皮特尼克解釋說，裝飾品是進(jìn)化中的“一種武器”。不僅是抵御捕食者的防御，像角和犄角這樣的裝飾品通常扮演著雙重角色。“許多這類武器關(guān)乎性，通常是雄性之間的競爭。[果蠅的]長精子鞭毛確實(shí)符合裝飾品的定義標(biāo)準(zhǔn)。我們認(rèn)為雌性生殖道具有偏向于某些精子表型而非其他表型進(jìn)行受精的特征。”

皮特尼克說，我們對交配前的性選擇了解很多。“比如，草原松雞在草地上跳舞，或者天堂鳥在熱帶雨林中展示。那是動(dòng)作，是色彩，是氣味？”皮特尼克解釋說，處理這些感官輸入會(huì)導(dǎo)致決策——這對是否交配。

但是，皮特尼克說，交配后發(fā)生在雌性體內(nèi)的性選擇——以及這如何驅(qū)動(dòng)精子的進(jìn)化——在很大程度上仍然是個(gè)謎。“我們對裝飾品和偏好的遺傳學(xué)仍然知之甚少，”他說。

皮特尼克解釋說，要完全理解精子，我們需要思考精子的整個(gè)生命周期——以及雌性身體——在精子發(fā)育中扮演的巨大角色。“精子在睪丸中完成發(fā)育時(shí)并未成熟，它們還沒有完成發(fā)育。”他說，在精子和雌性生殖道之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜而關(guān)鍵的相互作用。“我們現(xiàn)在花大量時(shí)間研究我們在整個(gè)動(dòng)物界稱之為‘射精后精子修飾’的過程。”

就在科學(xué)家們正在揭示精子為實(shí)現(xiàn)受精所經(jīng)歷的眾多且多樣的過程的同時(shí)，其他研究正引發(fā)人們對人類精子當(dāng)前狀況的真正擔(dān)憂。男性一生中會(huì)產(chǎn)生近一萬億個(gè)精子，因此可能很難想象精子會(huì)出問題。但研究表明，全球精子數(shù)量（精液樣本中的精子數(shù)量）正在急劇下降，而且下降速度似乎正在加快。