一直以来科学家在二维显微镜下俯视精子，就以为：精子是在左右摆动尾巴来前行。
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眼睛欺骗了我们。研究人员发现，人类精子运动并非此前的认识。最新的三维高速显微镜下，精子是在滚动中前行的。具体而言，精子头部旋转，尾部则绕着游泳轴滚动，如此实现了前行。
7月31日，这项研究发表在了《科学进展》（Science Advances）。研究者来自英国布里斯托大学和墨西哥国立自治大学。
图 | 精子游泳的三维展示。（来源：POLYMATHS-LAB.COM）
旋转中移动的陀螺
300多年前，显微镜之父、荷兰科学家列文虎克观察自己的精液，发现了精细胞，并且描述说，这些精子在像水蛇一样游动。几个世纪以来，科学家用显微镜从上方往下看，都得到了统一的结论：精子通过左右移动尾巴来游泳。
多年后，美国作家爱德华·多尼克在科普著作《生命之种》（The Seeds of Life）中记载了这个历史瞬间：1677年一个秋日的夜晚，列文虎克和妻子正在做爱。他“高潮射精后不足几秒便立刻”跳起身来，带着精液样本直奔自己的显微镜。在显微镜下，列文虎克看到“数以千计沙粒般大小的活体微型动物正在游动”。
尽管列文虎克第一个观察到精子的运动，但是他误解了观察结果。他并没有意识到这与人类的繁衍有何关系。相反，他以为自己发现了碰巧生活在精液中的微型动物。当时，大多数科学家都赞同他的观点。
“精虫”（spermatozoa）一词正反映出这种错误认识广泛存在，它意为“精液中的动物”。权威医学期刊《柳叶刀》在1830年，将精虫归类为肠道蠕虫。“精液中常能发现微型生物，显然，这里是它们天然的寄居地，”《柳叶刀》解释道，“它们对人体无害，毫无疑问起到了某种未知的重要作用。”
直到十九世纪中叶，精子在生殖繁衍中扮演的角色才真正算是得到了解决。
然而，对于精子运动的认知，一直存在谬误。
人类的精子在像水一样的低黏度液体中会疯狂地扭动，但在较粘稠的液体中，它们会以另一种波浪般的节奏游动。
精子尾巴长度只有头发的直径那么长，且结构复杂。研究人员采用先进的高速三维显微镜技术重建了精子的真实运动。这套系统中，高速相机每秒超过55000帧，显微镜载物台带有压电装置，可以极高速率来上下移动样品，只有如此，才能以三维方式扫描精子。
研究发现，精子头部在旋转，尾部也在旋转，而两个旋转是各自独立的。精子尾巴（鞭毛）其实是单侧摆动的，有点像水獭游泳，是滚动向前。这是一种非对称的游泳技术，有点类似地球在自转的同时绕着太阳公转一样，精子在头部旋转的同时，摆动尾巴来向前推进。另一个比喻则是旋转的陀螺，在旋转中发生位移。
墨西哥国立自治大学阿尔贝托·达斯宗（Alberto Darszon）博士说，这项研究将改变人们对精子活力和自然受精的理解。
据《科学在线》（LiveScience），英国谢菲尔德大学男科学教授艾伦·佩西（Allan Pacey）评价说，精子到达卵子的过程绝非简单的游泳，因为那是一个液体少得多的复杂环境。
女性的宫颈是粘稠的狭窄通道，输卵管则有起伏的细胞壁，精子还需应对肌肉收缩以及逆向的液体流动。佩西说，要在临床中使用三维显微镜，需要实现快速、便宜的自动化操作。
论文通讯作者之一、布里斯托大学数学生物学家赫耳墨斯·加德尔哈（Hermes Gadelha）表示，由于一半的不育症是男性因素引起的，那么这项研究有助于开发精子诊断工具以及识别不健康的精子。
图 | 随着精子的位置变化，头部（红色）保持在游泳轴线上，随着尾巴（蓝色）旋转而前行。（来源：Science Advances）
利用数学模型来研究精子
一个男人的一次射精大约有5500万个精子，这相当于伦敦或纽约人口的6倍，或者是上海人口的2倍。
然而，只有很少数的精子能通过女性的生殖道进入卵子。生殖道有复杂的化学和物理环境。精子必须能耐受阴道的酸性环境，要穿过厚厚的宫颈粘液屏障，在从子宫颈到输卵管的路上还有白细胞杀手，毕竟对于女性身体而言，精子是一种外来物质，甚至是一种可能带来疾病的物质。
加德尔哈一直在利用数学模型来研究精子。他们发现，人类精子尾巴有着精确的适应性，使其能够在宫颈粘液中游泳。他希望能够精确描述精子的运动。
加德尔哈出生于巴西，横跨数学逻辑、物理学、工程学和医学。在获得牛津大学数学博士学位后，他担任了剑桥大学的数学研究员，之后又回到牛津担任默顿学院讲师。2015年到2019年担任约克大学应用数学讲师，目前是布里斯托大学助理教授。
精子是如何运动到达卵细胞的呢？早在2017年，加德尔哈根据精子的运动规律，写出一个神奇的数学公式，用于描述精子如何有节奏地穿过液体物质。
当人类精子细胞游动时，向前的动力来自精子细胞尾部的“连通弹簧”。这些“弹簧”可以传输机械信息，当它蠕动时可帮助它弯曲，从而实现运动前进。
当精子游动时，尾部不同部分是如何弯曲的呢？他们观察到，精子头部旋转时，尾部末端会有反方向的弯曲，这叫做逆倾向现象。
图|精子的运动模式（来源：Science Advances）
关于精子运动的新认知，还可能给软机器人和人工智能研究带来洞见。毕竟，精子的运动是用它的身体进行计算，而不是用大脑。在加德尔哈看来，这正是很多工程师所追求的。
当然，随着观测仪器的进步，科学家可能会再一次发现，我们对精子运动的最新理解其实也有问题，但科学就是这样发展的。“我们的错误比以前少了，”加德哈说，“但相比未来，我们还是有更多错误认知。”
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