研究发现，人类精子游起来更像水獭，而不是鳗鱼

300多年来，大多数科学家都假设精子通过像鳗鱼一样来回摆动尾巴来推动自己在液体中游动。但根据“科学进展”上的一篇新论文，这实际上是一种视觉错觉--从高空用2D显微镜观察这些生物的结果。3D显微镜的最新观察显示，人类精子在游泳时实际上会滚动，就像水獭一样，本质上是在向前拧软木塞。

布里斯托尔大学的合著者Hermes Gadelha说，由于一半以上的不育症是由男性因素造成的，了解人类精子尾巴对于开发未来识别不健康精子的诊断工具至关重要。

直接观察第一个精子的荣誉属于安东尼·范·列文虎克(Antonie Van Leeuwenhoek)，他是17世纪的荷兰德雷德人，对科学有副业兴趣-具体地说，他建造显微镜，并提出创新的制造方法，为这些显微镜制造更好的透镜。他的显微镜只有几个幸存了下来，但它们能够将小物体放大275倍，历史学家认为他的一些仪器可以实现高达500倍的放大。

范·列文虎克在他的显微镜下研究了许多物质，包括湖水、血液、牛奶、唾液和眼泪等液体，以及从他自己的牙齿上刮下来的菌斑。他震惊地发现显微镜下有微小的生物，他称之为微生物。难怪他被广泛认为是微生物学之父。

范·列文虎克将注意力转向研究精液样本只是个时间问题，尽管他最初并不愿意这样做，因为他担心这样做会不得体。但在1677年，他的态度有所缓和。使用他的精子样本(与他的妻子发生性关系后，他的妻子肯定是一个长期受苦的女人)，他发现样本中含有大量的微生物。他在写给皇家学会的一封信中详细描述了这种微小的生物：钝头、长尾、向前推进，他写道，尾巴像蛇一样摆动着，就像鳗鱼在水里游泳一样。他接着观察了从其他动物(如兔子和狗)采集的精液样本中的精子。

但范列文虎克的开创性(啊哼)观察结果证明只是一个光学把戏。Gadelha和他的同事们用高速相机记录了精子自由游泳的过程，每秒捕捉到超过55000帧。他们将其与一个上下移动的显微阶段结合起来，从而对精子尾巴的运动进行了3D重建。他们观察到，精子的尾巴只在一侧蠕动，这通常会使精子在圆圈中游动。因此，精子已经适应了纠正这种单侧划水的能力：它们在游泳时会拧开软木塞。

Gadelha说，我们的发现表明，精子已经发展出一种游泳技术来弥补它们的偏侧，并在这样做的过程中巧妙地解决了微观尺度上的一个数学难题：通过从不对称中创造对称。然而，人类精子像水獭一样旋转是复杂的：精子头部旋转的同时，精子尾巴绕着游泳方向旋转。这在物理学上被称为进动，就像地球和火星的轨道绕太阳运行一样。

考虑到我们对微生物运动所涉及的流体动力学的了解，这是有意义的。这类生物生活在所谓雷诺数较低的环境中，雷诺数根据变量粘度、长度和速度来预测流体的行为。它以19世纪物理学家奥斯本·雷诺兹的名字命名，对于预测流体何时会转变为湍流特别有用。许多年前，物理学作家阿蒂什·巴蒂亚写了迄今为止最受欢迎的解释之一，解释了这种流体中的运动是如何工作的。(这本书的全文很值得一读。)。实际上，这意味着在雷诺数很低的情况下，惯性力(例如，在游泳时推水推动自己前进)在很大程度上是无关紧要的，因为粘性力占主导地位。

早在1977年，物理学家爱德华·珀塞尔(Edward Purcell)做了一些计算，显示了不同大小的动物如何以不同的雷诺数游泳。例如，对于一头鲸鱼来说，这个数字将是非常高的，因为它能够用一扇尾巴滑动很远的距离。根据珀塞尔的计算，然而，细菌在低雷诺数下游泳，所以如果你推动它们运动，它们几乎不能滑行任何距离。它类似于一个人试图在糖浆中游泳，并以与时钟指针相同的速度缓慢地移动手臂。因此，鳗鱼和精子(或细菌)必然会采取非常不同的游泳策略，因为它们处理的雷诺数不同。

一种这样的策略可能是打破笔划的对称性，以在强力笔划上产生比在恢复笔划上更大的阻力。生物可以通过改变桨的形状来做到这一点-例如，细胞用来推动自己前进的纤毛。相比之下，细菌和精子有螺旋形的尾巴，可以用作开瓶器一样的螺旋桨。这项最新的研究揭示了这对人类精子究竟是如何起作用的，这一点很耐人寻味。(当然，正如巴提亚指出的那样，别指望很快就能看到人类游泳者使用开瓶器。这种策略只在雷诺数较低的情况下有效，那里的水摸起来像软木塞一样厚，所以你可以有效地推动它。)。

今天的生育诊所在检查精子运动时仍然依赖2D视图，因此这项新工作提供了对精子尾巴如何运动的更好理解，这反过来可能带来更好的诊断工具。这一发现将彻底改变我们对精子活力及其对自然受精的影响的理解，来自墨西哥国立自治大学的合著者阿尔贝托·达尔松(Alberto Darszon)说，他与同事、合著者加布里埃尔·科基迪(Gabriel Corkeyi)共同开创了3D显微镜技术。人们对女性生殖道内错综复杂的环境以及精子游动如何影响受精知之甚少。这些新工具让我们看到了精子具有的惊人能力。