来自 趣事 2021-09-19 10:09 的文章

精子是身体的20倍长。它是怎么做到的

在人体内,也许没有比精子更有“野心”的细胞了。它有足够的耐心等待成为一个完整的有机体,也是唯一执行这样任务的细胞:离开它的“家”,然后努力活到它能繁殖的那一刻。
 
为了实现这个目标,精子进化成了所有细胞中最有特色的。我们大多数人都会把精子想象成一个长着头和长尾巴的小游泳者,但事实上,精子细胞的外观会根据它们所属的不同物种而有所不同。例如,介形类动物(一种甲壳类动物)的精子几乎完全由头部组成。有些软体动物会产生一种巨大的精子“助手”——精母细胞瘤,它可以让小小的“游泳者”贴在床上,就像挤在公交车上的通勤者一样,紧紧抓住扶手。
 
比精子外观的差异更惊人的是大小的差异。最具代表性的例子是一种北美果蝇,名叫果蝇(Drosophila bifurca),它的长度只有几毫米,但产生的精子长度可以超过7厘米,是身体长度的20倍。
 
自然界中不同形态的精子。a .海胆的精子;b .猪蛔虫爬行动物精子;c .已知最长的精子——果蝇的精子;d-f .不同植物的精子分别有2-1000多个鞭毛。g,h .两种鸟类的精子。| https://link.springer.com/article/10.1007% 2fs 10265-017-0936-2自然界不同形态的精子。a .海胆的精子;b .猪蛔虫爬行动物精子;c .已知最长的精子——果蝇的精子;d-f .不同植物的精子分别有2-1000多个鞭毛。g,h .两种鸟类的精子。| https://link . springer . com/article/10.1007% 2Fs 10265-017-0936-2
即使考虑到身体比例,果蝇的精子也是世界上最长的,甚至使人类、黑猩猩、鱼类、鲨鱼甚至鲸鱼的精子都相形见绌,远远超过那些能产生巨大精子的动物。当然,也有很多其他的无脊椎动物可以产生相当大的精子,比如盾形虫属的蜈蚣和臭虫属的仰泳臭虫。
 
这些巨大精子的起源仍然是个谜。然而,2021年6月,发表在《自然生态与进化》上的一项研究揭示了巨型精子的真正驱动因素及其整体多样性的原因:
 
雌性受精模式。
 
走近“巨型精子”
 
Ariel Kahrl是瑞典斯德哥尔摩大学的进化生物学家,也是这篇论文的合著者之一。她解释说,她和她的同事想知道精子进化的方式和原因。
 
他们的研究可以回答很多问题,比如为什么果蝇的精子大小是它们身体的20倍。卡尔说:“这就像把一粒米比作一列火车。以前,许多人试图通过观察特定的群体,如鸟类、鱼类和昆虫来了解巨型精子的来源,但从来没有人试图后退一步,用进化规律在更广泛的自然系统中解释它。”
 
研究人员假设体内受精卵产生的精子会比体外受精卵产生的精子大。体内授精雄性和抛投授精雄性可以将精子释放到雌性可以吸收的环境中,而体外受精动物同时将精子和卵子释放到周围环境中。前两者的精子进化速度可能比后者快,它们的精子与雌性的相互作用也更频繁。
 
科学家还推测,通过体内受精和人工授精的男性精子长度更具多样性。因为它们的精子已经适应了女性生殖道的发育。
 
总之,研究人员分析了21个门的3000多个物种,从海绵动物到节肢动物到脊索动物(如人类)。他们将这些受试者分为脊椎动物和无脊椎动物,并通过体外受精、体内受精和投掷等不同的受精方法进行了划分。然后,他们构建了一个包含每个物种的生命树,并绘制了它们之间的连接图,以补偿种间关系并避免结果的偏差。
 
Kahrl说:“我们发现我们之前的假设是正确的。”结果表明,体内受精产生精子的时间约为其他受精方式的6倍。此外,体内受精和投掷受精的动物,它们的精子进化更快,往往表现出更多的维度变化。
 
Kahrl补充说,动物体内受精的几乎所有巨型精子都是由无脊椎动物产生的。它们的身体足够小,精子可以长得足够长来代替彼此。想象一下,就像一群跑者在一个场地上比赛,第一个到达终点的跑者将为整个团队赢得胜利。当你身处狭小拥挤的地方,让自己有足够的空间成长才是关键。当你身处广阔的领域,团队成员越多,你就越能确保胜利。
 
首先是“第二性”。
 
根据这项研究,进化最快的精子往往与女性生殖系统接触最多。Kahrl说,女性生殖系统的大小与其相互作用的精子的大小密切相关。综合起来,这些因素可以表明女性促进了精子的进化。
 
美国锡拉丘兹大学精子科学家斯科特·皮特尼克解释说:“这真的是一个奇迹。这个研究团队所做的一切实际上都非常困难。”他认为Kahrl想解决的问题可能很简单,但这些问题也可能是最难回答的。
 
梳理大量科学文献,获得足够的计算机计算能力进行比较生物学研究,直到最近才在技术上实现。此外,该团队还公开了庞大的数据库,以便其他研究人员也能利用他们的工作。
 
Pitnick说,这篇论文也强调了整个领域最重要的问题,但被问得最少的是:精子与女性是如何相互作用的?他说:“然而,现实是生物学中存在巨大的男性偏见,因为我们对女性生殖道在这一过程中扮演的角色一无所知。”
 
 
毕竟,精子的使命是在女性生殖道中有效地找到正确的方向,使卵子受精。只在显微镜下研究精子,而忽略对雌性的解剖,就像皮特尼克描述的“只在动物园里进行比较生物学研究”。Pitnick指出,由于科学家忽视了女性在这一过程中的作用,传统的精子质量和数量的研究范式总是倾向于通过显微镜进行观察和研究。
 
更重要的是,精子细胞通常在进入女性体内后才会发育,这个过程被称为“射精后对精子的修饰”(PEMS)。皮特尼克补充说,许多精子核心蛋白,如代谢蛋白,来自女性。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,或者进入雌性体内时内外翻转。