精子长度达身体20倍，它是怎么做到的？

2021-09-16 15:34

在人体中，也许不存在比精子更有“野心”

来源 | Discover Magazine

作者 | Connor Lynch

翻译 | 许楚楚

编辑 | 魏潇

在人体中，也许不存在比精子更有“野心”的细胞了，它有着足够的耐心等待着成为完整的生物体，也是唯一一个执行此类任务的细胞：离开自己的“家园”，然后努力活到能够进行繁殖的时刻。

为了达成这一目标，精子已经演化成了所有细胞中最与众不同的那一个。我们中的大部分人都会把精子想象成一个长着脑袋和长长尾巴的小个头游泳健将，但其实，精子细胞的外观会根据它们所属的不同物种而存在差异。比如，甲壳纲动物介形虫（ostracods）的精子几乎完全由头部组成；而一些软体动物则会产生一种巨大的精子“助手”——精子束（spermatozeugma），它能够让小个头的“游泳健将”们黏附于上，就如同那些挤在公交车上的通勤者们紧紧抓住的车扶手。

比精子在外观上的差异更令人惊叹的是它们在大小上的不同。最具代表性的例子是一种名为二裂果蝇（Drosophila bifurca）的北美果蝇，它身长只有几毫米，然而产生的精子长度可超过 7 厘米，达到了身体长度的 20 倍。

自然界中不同形态的精子。a.海胆的精子；b.猪蛔虫的爬行态精子；c.已知的最长精子——二裂果蝇的精子；d-f.来自不同植物的精子，分别拥有 2-1000 多根鞭毛；g,h. 两种鸟类精子。图片来源：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10265-017-0936-2

即使考虑到身体比例，二裂果蝇的精子也是世界上最长的，这甚至让人类、黑猩猩、鱼类、鲨鱼乃至鲸鱼的精子相形见绌，也远超那些能产生巨型精子的动物。当然，还有很多其它无脊椎动物也能产生尺寸相当大的精子，比如蚰蜒属的蜈蚣以及大仰蝽属的仰泳蝽。

这些巨型精子的起源一直是个谜。不过 2021 年 6 月一项发布在《自然-生态学与进化》（Nature Ecology & Evolution）上的研究揭示了 巨型精子的真正驱动因素 ，以及导致其整体多样性的原因： 雌性的受精模式 。

走近“巨型精子”

Ariel Kahrl 是瑞典斯德哥尔摩大学（Stockholm University）的进化生物学家，也是这篇论文的合著者之一。她解释说，她和她的同事很想了解一下精子演化的方式和原因。

他们的研究能够回答很多问题，诸如为什么二裂果蝇的精子大小会是它们身体的 20 倍。Kahrl 说：“这就像是把一粒米和一辆火车放在一起作比较。此前，很多人试图通过观察特定的群体来理解巨型精子的来源，比如鸟类、鱼类和昆虫，但从没有人尝试着后退一步，在更为广泛的自然体系中用演化的规律去解读。”

研究人员假设，进行体内受精的生物所产生的精子会比体外受精生物的精子更大。体内授精的雄性（internal fertilizers）和抛洒式授精的雄性（sperm casters）可将精子释放到能够被雌性所吸收的环境中，而那些体外受精的动物则是将精子和卵子同时释放到周围环境中去。前两者的精子演化速度可能比后者更快，而且它们的精子与雌性的“互动”更为频繁。

科学家们还推测，体内授精和抛洒式授精的雄性，精子长度多样性更丰富。因为它们的精子已经适应了时刻和雌性生殖道保持一致的发展步伐。

总而言之，研究人员共分析了 21 个门的 3000 多个物种，从海绵动物到节肢动物再到脊索动物（比如人类）。他们将这些研究对象区分为脊椎动物和无脊椎动物，并通过不同的受精方法进行划分，包括体外受精、体内受精和抛洒式。随后，他们构建了一颗包括每个物种的生命树，并绘制了它们之间的联系图，以补偿种间关系，避免结果的偏差。

Kahrl 表示：“我们发现我们之前的假设是正确的。”结果显示，体内受精会产生比其他受精方式长 6 倍左右的精子；此外，体内受精和抛洒式受精的动物，其精子演化得更快，往往表现出更多样的尺寸变化。

Kahrl 补充道，在体内受精动物中，几乎所有的巨型精子都是由无脊椎动物产生的。它们的身体足够小，以至于精子可以长到足以相互取代。想象一下，这就好比一群赛跑者在一个场地上比赛，第一个跑到终点的人将为整个团队赢得胜利。当处于一个狭小而拥挤的场地上时，让自身有足够的空间成长才是关键；而处在一个广阔的领域中时，团队成员越多，越能确保胜利。

居于首位的“第二性”

根据这项研究，演化速度最快的精子往往与雌性生殖系统接触最多。Kahrl 表示，雌性生殖系统的大小与其相互作用的精子的大小密切相关，综合而言，这些因素能够表明雌性推动了精子的演化。

美国雪城大学（Syracuse University）的一位精子科学家 Scott Pitnick 解释道：“这真是一个奇迹。这个研究小组所做的一切其实都非常艰巨。” 他认为，或许 Kahrl 所想要解决的问题非常简单，但这些问题也可能是最难回答的。

梳理大量科学文献、获得足够的计算机算力开展比较生物学研究直到最近才在技术上得以实现。此外，该团队还公开了由此产生的庞大数据库，让其他研究人员也能够利用他们的工作成果。

Pitnick 表示，这篇论文还强调了整个领域中最重要、但却被问及最少的问题：精子是如何与雌性相互影响的？他说道：“然而，现实情况是，在生物学中存在着巨大的男性偏见，因为我们对雌性生殖道在此过程中发挥的作用一无所知。”

毕竟精子细胞的使命是在雌性生殖道中有效地找到正确的方向，使卵子受精。仅在显微镜下研究精子而忽视雌性的解剖结构，就如同 Pitnick 所描述的“只靠动物园做比较生物学研究”一样。Pitnick 指出，由于科学家忽视了雌性在此过程中所起的作用，传统的精子质量与数量的研究范式总是倾向于通过显微镜进行观察研究而已。

更重要的是，精子细胞通常在进入雌性体内之后才会完成发育，这一过程被称为“精子射精后修饰” （Post-Ejaculatory Modifications to Sperm，PEMS）。Pitnick 补充道，许多精子的核心蛋白质，比如代谢性蛋白，都来自雌性。通过观察整个动物界的精子变化，科学家们发现了许多奇怪的现象，比如精子长度增加了十倍，或者进入雌性体内会发生内外翻转。

Pitnick 对此总结道：“我们仍处于雌性生物学研究的黑暗时代，这篇论文对此提出了一个很好的观点。如果我们想要了解精子的多样性，就必须摒弃过去的偏见，将注意力转向雌性生物学。”

原文链接：

https://www.discovermagazine.com/planet-earth/why-fruit-flies-won-natures-prize-for-longest-sperm

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41559-021-01488-y

题图来源：JaredZammit, CC BY-SA 2.0

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受精,雌性,体内,研究,精子

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