人類精子從出發到達輸卵管中並與卵子完成受精，通常來說它們需要移動15釐米到18釐米的距離。

考慮到精子是動物最小的細胞之一——人類精子從頂體到末端的長度差不多隻有50微米左右，移動超過15釐米不是一件不容易的事。

事實上，不僅距離上對精子來說很遙遠，在15釐米的旅程中還有各種“誘殺裝置”，因爲精子對於女性來說是異物會自然地被防禦。

其中包括宮頸粘液困住精子、白細胞吞噬精子等等，當每次數以億計的精子同時出發時，真正能到達目的地——接觸卵子的只有200枚左右。

©quapan/Flickr

那麼有趣的問題是，精子到底是如何移動的呢？它又是怎麼獲得能量來讓自己持續推進呢？

關於精子的“遊動”有一些非常有趣的故事，所以必須給它單獨拎出來說說，這玩意足足愚弄了科學家300多年。

精子如何欺騙科學家300多年？

1677年，光學顯微鏡之父荷蘭科學家列文虎克在改進了顯微鏡之後，他通過這種顯微鏡仔細觀察了自己的精子，這是人類第一次看到精子。

圖：列文虎克

據列文虎克的描述，他看到巨量的“微生物”，這些“生物”每個都有腫大的頭部和幾乎透明的長尾巴，它們充滿活力，不停像蛇一樣蠕動，以及就像水中的鰻魚一樣。

當時人們並不認爲這是人類的生殖細胞，實際上列文虎克認爲它們是一種寄生動物（估計他第一次看到自己的這些的時候嚇得不輕），並專門爲此創造了一個名詞“spermatozoa”（現在翻譯成精子動物）來描述這種“生物”。

圖：當時人們以爲精子頂體中住着小人

在精子發現後的很長一段時間裏，其實人們都不知道這種細胞是幹嘛用的，在1695年，同爲荷蘭人的尼古拉斯·哈特索克在觀察了精子之後，他瞬間感覺自己領悟到了“上帝的祕密”，他第一次定義了精子的作用，認爲精子裏面住着小人，然後這些小人在女性的肚子裏發育成更大的人，這就是生育的全部。

但尷尬的是，這位仁兄無法解釋爲什麼那麼多進去最後卻只有一個或者兩個出來。

人們對哺乳動物生殖的祕密直到1827年纔算有一點點了解，因爲這一年科學家發現了卵子（尋找卵子是很難的，因爲它的數量非常有限），而到了1876年，科學家才總算觀察到精子和卵子融合，哺乳動物生殖的祕密纔算是撥開雲霧見明月。

我們回到列文虎克發現精子的話題，雖然他不知道這些“生物”是幹嘛的，但是他在描述顯微鏡下的生物絕對很有一套。

在那個沒有相機的年代，列文虎克甚至純手工繪製了精子的畫像（上圖），並且第一次通過圖像和語言同時描述了精子是如何移動的——它就像是蝌蚪或者魚一樣通過左右甩動尾部來讓自己前進。

精子以這種形式（擺動尾部）移動估計符合我們幾乎所有人的刻板印象，因爲我們大部分接觸到的科普讀物通常就是這麼描述的。

直到最近（2020年），墨西哥國立自治大學的研究人員發現，原來精子並不是這樣擺動尾部來“遊動”的，它實際上是以一種旋轉鑽洞的形式在運動。

墨西哥國立自治大學的研究人員採用一個帶有壓電裝置的3D顯微鏡，以及一臺一秒鐘能夠記錄超過55000幀的高速相機，3D掃描了自由遊動的精子，然後以數學方法構建了精子的運動方式（如下圖）[1]

這項研究於2020年7月31日發表在《科學進展》雜誌上，其研究人員Gadêlha在接受採訪的時候表示：精子根本沒有游泳，它只是不斷地鑽進液體中。

實際上，由於精子快速且高度同步的旋轉——一秒完成20次旋轉，用2D顯微鏡觀察是無法正確認識它們的運動方式的——只會看到左右擺動，而現代研究通常都是用2D顯微鏡，所以精子就一直這樣愚弄了科學家足足300多年。

爲什麼精子是旋轉？

精子是高度特化的細胞，這意味着它們承受着巨大的進化壓力，它們的一切特徵只有一個目的，就是完成受精。

左右擺動的遊動姿勢適合在一些容易遊動的液體中推進，而精子想要完成受精需要面對的環境非常複雜。

在同一趟旅程中，它們都需要面對多種環境，時而是粘稠的完全無法推進的情況，時而是潤滑的，時而又幹脆是乾燥的，所以像陀螺一樣旋轉會比擺動推進好用許多。

另外，這項研究還發現，人類精子的尾巴實際上是不平衡的，只在一側擺動，這意味着它裏應該由於單側擺動而原地轉圈圈纔是。

但是精子找到了一種自適應，它們在遊動時滾動，頂體也跟着尾巴旋轉的方向轉動，這個方式正好可以抵消單側擺動造成的不對稱。

我查閱到2019年的一項研究還發現，哺乳動物精子頂體部分都是螺旋狀的，就像是螺絲一樣[2]，這正好符合精子的運動方式。

那麼，還有一個問題，既然精子這麼小，它們又得如此喫力地鑽洞前行，那麼它們的能量來自哪裏。

其實，這個也是精子高度特化的一部分。

我們知道細胞活動的能量主要來自線粒體——這個被稱爲細胞的能量工廠，精子的體積雖然小，但是它們卻擁有非常多的線粒體，它就像是一個個小電池一樣給精子供能。

這些線粒體就集中在精子的中段部分，而且爲了充分利用空間，科學家發現這些線粒體是螺旋狀的。

而給這些線粒體提供“燃料”的就是它們的活動場所，只有在那裏它們有機會存活長達5天以上，而在其它環境中精子都會快速失活。

圖源：biologyonline

最後，我們再來說一個關於精子廣爲流傳的誤解吧，我們許多人應該都聽說過跑得最快的一枚精子纔有機會完成受精，所以我們每個人從出生開始就已經在數以億計的競爭中贏過一次了。

但是實際上並不是如此，越來越多的證據已經表明，跑得（或者鑽得最快）最快的精子只會最早遇到卵子而已，而卵子有最終的選擇權，它們會在幾百甚至上千枚完成比賽的精子中選擇一枚[3]。

參考：

[1]./10.1126/sciadv.aba5168

[2]./10.1098/rstb.2019.0149

[3]./news/20200611/The-egg-decides-which-sperm-fertilizes-it.aspx