精子的尾巴到底有什麼用？數學家試圖揭開這其中的奧秘

撰文：Hermes Gadelha（約克大學應用數學講師）

1. 一趟千難萬險的征途

每一次，大約有5500萬個精子，會隨著男性的射精而被釋放出來，這個數字相當於倫敦或紐約總人口的六倍還多，超過上海總人口的兩倍。當然，不是所有這些精子都能長成嬰兒。事實上，只有約15個精子能夠順利通過女性的生殖系統。這是因為對一個精子來說，成功受精一個卵子需要經歷一趟危險而坎坷的歷程。

現在，我們的一項最新研究發現了能使人類精子在讓卵子受精的這場激烈競賽中勝出的力量之源——精子的尾巴。

在生殖系統中，精子會遭遇複雜的化學和物理環境：它們必須擺脫陰道中致命的酸性物質，穿透粘稠的宮頸粘液屏障（這比水要粘稠一百倍），避免被困在宮頸隱窩裡，忍受住子宮的收縮，才能最終找到通往輸卵管的狹小入口，並在那裡與從卵巢排出的卵子相遇。而在這一切發生的整個過程中，子宮中的白細胞都在不斷地攻擊精子。

在經歷了這一道道的險阻之後，精子還必須穿透卵子周圍的另一層厚厚的保護層，才能最終完成受精。對於一個微小的精子而言，所承受的這一切似乎太過困難了，但這些都是出於保護目的的屏障——子宮要用來孕育嬰兒的，而精子有可能是一種攜帶疾病的入侵力量。

我們的研究發現，包裹在人類精子尾部的加強層賦予了精子足夠的力量，使它們能夠強有力且充滿節奏地遊動，從而最終突破膠狀的宮頸粘液的圍堵。

2. 通關的秘密武器

精子的尾巴也叫做鞭毛，雖然它的長度非常的細，但卻異常複雜。為了研究精子是如何工作的，研究人員使用一種虛擬的精子模型，將人類、其他哺乳動物的精子（體內受精）與海膽的精子（在體外的開放水域受精）進行比較。

我們發現，雖然海膽的精子尾巴和人類的精子尾巴有著相同的彎曲內核，但哺乳動物的精子尾巴似乎進化出了一層加強了的外層。這個外層為精子提供了足夠的力量和穩定性，使它們能夠克服體內受精時會遭遇到的厚厚的液體屏障。

不具有（上）和具有（下）加強層的虛擬精子。| 圖片來源：作者

我們利用虛擬的精子模型來添加和去除不同物種的精子尾巴的特徵，創造出了一個科學怪人「弗蘭肯斯坦」般的精子。我們還增加了精子需要游過的液體的粘度。模擬結果表明，對於與海膽精子相似的虛擬精子而言，當它們在如宮頸粘液般粘稠的液體中遊動時，精子尾巴在壓力作用下會迅速彎曲，這就意味著它們無法推動自己前進。在很多情況下，這會困住精子，讓它們繞著圈遊動。

人類的精子與此不同：在像水一樣的低黏度液體中，人類精子會瘋狂地扭動，但在較粘稠的液體中，它們會以一種強有力的、波浪般充滿節奏的方式遊動。這種差異在實際的實驗中也得到了證實，在粘稠液體中遊動的海膽精子和人類精子表現出了與模擬結果一致的行為方式。當然，我們不知道更強壯的精子和子宮粘液到底哪一個最先進化出來，或者它們是不是共同進化的。

3. 對未來的影響

這些研究不僅讓我們從進化的角度審視精子，還為生育臨床提供了更好的精子選擇方法，這讓醫生能夠輕易地識別出更適合體外人工受精（IVF）的精子。

自1970年以來，西方男性的精子數量減少了一半，男性生育能力問題已經成為一個全球性的挑戰。在英國，每7對夫婦中就有一對被診斷出生育能力下降，而精子功能障礙是其中最常見的原因。每6對夫婦中就有一對接受生育治療；每100個出生的孩子中就有一個是通過體外人工受精受孕的。

但通過體外人工受精來孕育孩子也是非常困難的，其中四分之一的妊娠都會以流產告終。在英國，體外人工受精的成功率在2%到33%不等，這取決於女性的年齡，35歲以下的女性成功率要高得多。此外，治療費用也相當昂貴。

我們的研究強調，是人類精子尾部的精確適應性，使得它們能夠在宮頸粘液中遊動；而這也強調了在評估和篩選用於體外人工授精的精子過程中，模仿生殖系統的自然選擇對挑選合適精子的重要性。

這是一個重要的發現，因為目前臨床中使用的方法是「精子計數」，這種方法並不能很好地預測受精能否成功，而且臨床中也並沒有使用高粘度的流體來模擬宮頸粘液。很顯然，我們需要更多的研究和深入的臨床測試，以此來評估新的發現對未來的體外人工授精的確切影響。

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