精子传奇：他是天生的物理学家_风闻

长期以来，精子如何游动这一看似简单却暗藏诸多奥秘的问题，引起了众多科学家的兴趣。一路受精之旅，其每一步都涉及复杂的物理和生物过程。精子的运动展露出高超的流体力学技巧，科学家们深入剖析精子在不同黏度液体中的运动机制，试图揭开生命起源的关键一环。如今，这项研究不仅加深了人们对生殖系统的理解，还在解决不孕不育问题上展现出重要的应用潜力。

撰文 | 迈克尔·班克斯

翻译 | 李存璞

1668 年，30多岁的荷兰商人、科学家安东尼·范·列文虎克去了英国，据说他在那里看到了著名物理学家胡克出版的《显微图谱》。他对显微镜如何帮助他调查生意中不同纱线的质量非常感兴趣——毕竟，《显微图谱》包含了各种线的细节和图画，也包括丝绸。受到这项工作的启发，范·列文虎克开始制作自己的显微镜。

在他的一生中，范·列文虎克制作了大约 500 台显微镜，其中最好的可以将物体放大约 250 倍，这是当时包括胡克在内的其他所有人能达到的放大倍数的 5 倍。范·列文虎克使用他最强大的显微镜，可以看到小到约 2 微米的物体，这意味着他能够分辨出直径为 6~8 微米的红细胞。他还充满好奇地调查从口腔和腋窝处采集的样本。当他研究它们时，他发现了一些令人难以置信的东西——口腔和腋窝中充满了微小的生物，这些生物在移动，他称之为“微动物”（animalcule）。然后，在 1677 年的一天，对于一个男人来说的一次小小射精，对于人类来说却是一次伟大的射精，范·列文虎克将自己的精液放在了显微镜下观察。同样，他看到精液充满了“生命体”，他在狗、鸟和鱼的精液中也发现了类似的“微动物”。值得注意的是，范·列文虎克还测量了人类精子的长度，大约为 50 微米长， 并解析了它的头部。他发现精子头部的长度大约为 5 微米，约为总长度的1/10。范·列文虎克通过他的研究，不仅如同胡克所做的那样揭开了微观世界的面纱，还开创了微生物学这个领域。

17 世纪 70 年代是生殖科学领域取得非凡发现的 10 年，但直到19世纪人类发展“先成说”才被推翻。而有一个关键的细节可用于区分精子和卵子，这是范·列文虎克在 17 世纪末就已经发现的：它们的运动能力。范·列文虎克向英国皇家学会报告他对精子的首次观察时写道：“（精子）是一种微动物，大多数时候它在活动或移动时会其头部或前部朝着我的方向游动。它的尾部在游动时会蛇形摆动， 就像水中的鳗鱼那样。”

图1兔子的精子（1~4）和狗的精子（5~8）。由安东尼·范·列文虎克在 17 世纪 70 年代末绘制。来源：惠康博物馆

虽然我们现在知道，精子必须通过女性生殖道才能使卵子受精，但在范·列文虎克之后又过了 250 年，才有人为精子如何能够做到这一点提供解释。第一条解答这个谜团的线索出现在 20 世纪中叶，多亏了一系列的实验揭示像精子和卵子这样的小生物所居住的奇妙世界。

精子的旅程

人类的睾丸是强大的精子工厂，每秒能够产生大约1500个精子，每天产生约 1.3 亿个精子，每年产生约10万亿个精子。在一个男人读完这句话的时间里，他已经产生了大约5000个精子（这些数字并不固定，不同人的数量可能会有很大差异）。

这些精子通过了构成男性生殖系统的一系列管道，其中包括附睾——紧贴睾丸上端和后缘并呈新月形。人类身体的附睾长度达到了惊人的6米。然后，有一种细长螺旋结构，长度为 30 厘米，叫作输精管。输精管中的精子等待着性高潮期间的肌肉收缩将它们推向前列腺，在那里它们与精液混合，然后通过尿道直接从阴茎中排出。

从精细胞产生到精子完全成熟大约需要3个月的时间。平均一次射精大约含有5000万~1亿个精子，单论数量足以产生一个国家的人口。为什么男人能够产生如此多的精子仍然是一个谜，但这可能只是一个数字游戏。射出的精液落在阴道顶部（阴道长约7厘米），对大约95%的精子来说这标志着道路的终点，原因有以下几个：第一是精子暴露在阴道微酸性的液体环境中；第二，也是更大的问题，精子群中有很大一部分（比例高达90%）本身的构成是畸形的，有些精子颈部弯曲或头部畸形（甚至没有头部），而10%的“正常”精子中大约有1/2的精子又不能很好地游动，它们只能在原地打转或什么也不做。一开始的1亿个精子，此时已经减少到500万个，这可不是非常好的开端。

能够移动的精子开始自行穿过宫颈，这是一条充满黏液的狭窄通道，长约2厘米。“cervix”（宫颈）在拉丁语中是“脖子”的意思，它如同一个看门人，让一些东西进来，让另一些东西出去。精子进入子宫时会继续其障碍重重的旅程，子宫长约8厘米，形状像一个倒置的梨。子宫顶部两侧是狭窄的输卵管，长约7厘米。最后精子来到了卵巢。所有这些长度看起来都很小，但考虑到通过范·列文虎克的显微镜测量的精子的微小尺寸，它的总移动距离长得惊人——相当于一个人在一个奥林匹克标准长度的泳池中游100次。旅程的最后部分是精子通过输卵管。由于精子一生都在精液或宫颈黏液等液体中度过，因此它们需要用某种方法在这些物质中推动自己。但事实证明，如此小的细胞要移动是非常困难的，为了了解它们如何在这些液体中游动，我们需要一堂流体动力学速成课，这门科学研究液体和气体的流动及其与固体表面的相互作用。

打破往复运动

流体的一种基本特性是黏度，其定义为流体对形状或运动变化的阻力。高黏度的流体（例如蜂蜜）会阻碍运动，因为组成它的分子会产生大量内摩擦。低黏度流体（如水）很容易流动，因为其组成分子在运动时产生的摩擦力很小。

19世纪80年代末，爱尔兰物理学家奥斯本·雷诺提出了一种通过流量及物体在流体中的运动来描述不同流体的特性的方法。他是英国欧文斯学院（后来改组为曼彻斯特大学）的工程学教授。19世纪七八十年代，雷诺进行了一系列实验，他将彩色染料注入装有水的细管中的一小部分区域。通过改变水流的速度，雷诺可以测试在什么条件下水流是平缓的，什么条件下又是湍急的。凭借令人难以置信的洞察力，雷诺发现了一个可以描述涉及流体中物体的力平衡的简单数量——雷诺数，简称为Re。它被定义为惯性力（表征物质保持速度不变的趋势）与黏性力之间的比率。惯性力取决于流体中物体的大小和速度，而黏性力取决于流体的密度。宽泛地讲，雷诺数大于1意味着惯性力占主导地位，雷诺数小于1意味着黏性力占主导地位。

后来，雷诺数在工程领域变得很重要，从设计飞机机翼到调整一级方程式赛车的空气动力特性都要用到。雷诺数在生物学中也发挥着巨大的作用。鲸在水中游动的雷诺数约为100万，而游泳的人的雷诺数约为1万。如此之大的雷诺数告诉我们：就人类或鲸这样大型的动物而言，移动物体的惯性力压过了黏性力（水的阻力）。事实上，鲸尾的翻转使鲸能够游很长的距离，如此庞大的身体几乎不受水的阻力影响。对细菌和精子等微生物来说，情况则完全不同。它们的雷诺数往往要小得多，实际上小到约为0.0001。在这种情况下，起主导作用的不是惯性力，而是黏性力。

在雷诺数提出 100 年后，美国物理学家爱德华·米尔斯·珀塞尔提出了一种优雅的方式来展示微生物游泳的难度。他因在 20 世纪 40 年代发现核磁共振现象而闻名。珀塞尔还热衷于粗略估算，在 20 世纪 70 年代，他对他所说的微生物的“雄伟游泳”产生了兴趣。1976 年，珀塞尔做了一场非常著名的演讲，其中他概述了细菌在液体中移动有多么困难。物理学家计算出，如果你在液体中对细菌施加微小的推力，它会在 0.000001 秒内停止运动。珀塞尔强调，细菌生活在一个与惯性完全无关的世界，那个世界与我们习惯的世界截然不同。人类效仿微生物的移动非常困难，我们可以尝试在像蜂蜜这样高黏度的介质中游泳，并以与时钟分针相同的速度移动我们的手臂。如果真的可以模拟这一点，那么移动几米将需要耗费几周的时间——当然这会使人筋疲力尽。

解释这一切如何发生的物理学，早在珀塞尔之前约20年就已经得到了研究。研究主要由包括剑桥大学的杰弗里·泰勒在内的几位英国物理学家完成。在20世纪60年代使用甘油（一种高黏度介质）进行的一系列经典实验中，杰弗里·泰勒展示了这样的世界是多么奇异。在低雷诺数条件下，微生物游泳的物理原理就是破坏往复运动的能力：往复运动即上下或者左右的重复运动，会阻止微生物在黏性流体中运动。正如珀塞尔所阐明的，往复运动最简单的例子是不起眼的扇贝。如果将扇贝缩小到像精子或细菌一样具有低雷诺数的状态，扇贝将无法移动。这是因为它的运动是完全往复式的。当扇贝打开和关闭其外壳时，它会经历相同的动力冲程（闭合外壳）和恢复冲程（打开外壳）。换种思考方式，我们可以拍摄扇贝闭合和打开外壳的过程，如果你向前或向后播放该视频，你将无法分辨两个过程的不同。因此，微型扇贝被困在了时间里。

那么微生物如何游泳呢？如果你拿一个薄圆柱体，比如吸管，让它垂直落入像糖浆这样的高黏度流体中，它就会像预期的那样垂直落下［见图 2（a）］。如果将吸管侧放，它仍然会垂直下降，但由于阻力的增加，速度只有直立情况下的 1/2［见图 2（b）］。然而，当你让吸管与水平位置成一定角度时（就像倾斜座椅的靠背一样），它不仅在糖浆中垂直向下移动，还会水平移动，导致其沿对角线方向下落。这被称为“斜向运动”，其发生的原因与力如何作用在纤细的物体上有关。该方向上的垂直力可以分为两个分量：一个沿着物体的长度方向，一个垂直于长度方向（如图 2 圈中所示）。与垂直方向相比，沿物体长度方向的阻力较小，导致该方向上的运动更大，这意味着吸管沿其长度方向的移动速度比沿垂直方向的移动速度更快，因此它会伴随着垂直下落同时水平滑动。

图2

你可能会好奇：这与游动的细菌或者精子有什么关系呢？好吧，再说一遍，它们必须打破往复运动才能移动，泰勒展示了一种可以做到这一点的特殊方式。最基本的方法（在自然界中被发现过无数次）涉及从主细胞体伸出的尾部或鞭毛的螺旋旋转。尾部的运动就像一个坚硬的开瓶器，而这种螺旋旋转正是低雷诺数的游泳者打破往复运动的原因。想象一下，将螺旋线分成更小的部分，再推断每个部分的斜向运动量，然后将其相加，从而估算出其向前推进力。事实上，这种螺旋技巧正是细菌所采用的，例如大肠埃希菌。这些高效的游泳者通过鞭毛底部的“发动机”顺时针或逆时针旋转鞭毛。

20世纪 50 年代初，英国曼彻斯特大学的泰勒和杰夫·汉考克对带有可移动鞭毛的细胞（如精子）如何移动进行了详细计算。他们证明，当精子挥动其尾部时，它可以在不同的部分产生斜向运动，从而产生黏性推进力。1955 年，汉考克应用上述数学原理来描述海胆精子的运动。当时，他正在伦敦大学玛丽王后学院（现为伦敦玛丽女王大学）和剑桥大学的詹姆斯·格雷一同工作。他们发现，精子利用尾部的弹性进行复杂的波状“拍打”运动，产生斜向推进力，进而打破了运动的往复性。

为了进行这些运动，精子的尾部和自然界中的所有鞭毛一样需要一些生物学机制。而且，正如范·列文虎克在 17 世纪使用新制造的显微镜来观察单个精子一样。20 世纪 50 年代末的研究人员使用透射电子显微镜（TEM）的电子束来更深入地研究精子尾部的结构。利用这种新设备，他们发现了一种美丽、精妙且在某种意义上简单的结构。精子的尾部有一个纤维鞘，其中有排列成圆圈的致密纤维团。这个圆圈的中心被称为轴丝或细胞骨架，是精子获得强大运动能力的地方。起到驱动能力的蛋白质被称为动力蛋白，负责连接成对的微管，使微管可以相对彼此滑动，从而导致整个尾部弯曲。这是纯粹的生物机械在行动。精子的尾部甚至可以反向弯曲，将尾部的一端向一个方向推动，另一端向另一个方向移动（就连死掉的精子也可以反向弯曲）。

图3 精子尾部的主要组成部分是轴丝，其中包含“9 + 2”排列的微管组；尾部前方的轴丝被外周致密纤维和一根纤维鞘包围。

事情不仅仅是复杂的生物力学。精子必须在宫颈黏液中游动， 而宫颈黏液会在整个月经周期中改变稠度或黏度，尤其是在排卵前后。在月经周期的大部分时间里，宫颈黏液像牙膏一样黏稠而致密，使得精子无法侵入。但在排卵前后，由于雌激素的释放，宫颈黏液的成分发生了变化。宫颈黏液变得类似于蛋清：清澈、丰富且湿滑。即使在此时，宫颈黏液的黏度也比水大 200 倍。尽管人们认为精子在这种黏稠的蛋清状液体中游动会很困难，但事实证明，相当奇怪的是，这在某种程度上是有利的。

冲向卵子

“如果你想了解精子是如何游动的，那么你来对地方了。”在深秋的一天，巴西出生的英国布里斯托尔大学数学生物学家赫米斯·布卢姆菲尔德–盖德哈在他的办公室对我说。布卢姆菲尔德–盖德哈的职业生涯致力于研究游动的精子中的数学，将流体动力学与精子尾部的分子机器结合在一起。布卢姆菲尔德–盖德哈给我看了一部精子在液体中游动的影片，这种液体与水类似。精子的尾部在所有方向上挥舞着，上下、左右地挥动。尾部以约25赫兹（相当于每秒振动25次）的频率“跳动”，并在游动的同时进行滚动。

这部影片给人这样的印象：精子在液体中的移动是随机的，甚至是混乱的，但之前的研究结果表明，液体发生了一些令人惊讶的变化。布卢姆菲尔德–盖德哈团队曾记录过一个精子在盐水溶液中游动的过程，在像水这样的低黏度液体中游动的精子周围的流体遵循一种可明确定义的、平滑的流动模式，尽管看起来像是在四处飞溅。它搅动了液体，在液体中产生了类似的场线。从这个意义上说，游动的精子就像是在周围的液体中创造一个动态的“场”。

这对水来说可能没什么问题，但我们知道精子需要在人类宫颈高黏度的液体中移动。而精子似乎就是被这么设计的。接下来，布卢姆菲尔德–盖德哈向我展示了一段精子在高黏度液体中游动的视频，其游动行为完全不同，简单得让人着迷。此时精子的头部基本保持静止，只有尾部在移动——就像列文虎克最初描述的那样，精子看起来像一条蠕动的鳗鱼。低黏度和高黏度液体中精子的游动之间的区别，就像一个正在学游泳的人挥动手臂和另一个人正在流畅蛙泳。布卢姆菲尔德–盖德哈解释道：“当精子在黏液中时，它处于一种完全不同的状态。”

数百万个精子中只有几百个能到达输卵管。输卵管位于子宫顶部附近，在其末端是卵巢，中间部分（被称为输卵管壶腹部）会有卵子。现在，到达卵子处的幸运精子可以感知到卵子，从而触发了一种全新的运动模式——这种模式比在高黏度介质中的流畅游动混乱得多。一旦精子接近卵子，也许是在离卵子几毫米的地方，它就会检测到卵子释放的孕酮这种激素，并通过一种被称为趋化性的过程向其移动。在趋化性过程中，细胞和生物的运动是由它们环境中的化学物质引发的。孕酮存在于卵泡液中，这是一种营养丰富的液体，包围着卵子。随着卵子发育，这种激素吸引精子向其移动。2020年有一项引人入胜的研究发现，卵泡液可以选择性地吸引来自某些男性的更多精子，而且这种效果似乎是随机的，与女性选择的伴侣无关。

这种对精子产生强大影响的机制背后是一条叫作CatSper（意为“精子的阳离子通道”）的钙离子通道，该通道在2001年被发现位于人类精子的尾部。这种CatSper蛋白接收孕酮并将钙离子送入细胞，这导致精子进入一种疯狂状态——精子超活化。

在这里，精子沿着宫颈黏液的平滑游动行为现在被尾部的混乱抽打所取代。虽然这可能给人一种精子无法到达任何地方的印象，但这种运动给它带来了两个明显的优势：第一，防止精子在输卵管中卡住；第二，使精子头部从侧向运动转变为八字形扭转运动。这种像锤击一样的运动非常利于精子穿透卵子的“透明带”，这是一个果冻状的保护层，厚度在13~19微米，大约是精子头部长度的2~3倍。2020年的实验研究显示，CatSper蛋白极其重要，没有它，精子就无法使卵子受精。然而，精子钻孔的力量仍然不足以打破这道屏障。为了加快这一速度，精子会释放一系列酶，或者说是加速反应的蛋白质。这些酶存在于精子头部的顶端，即顶体中。这有助于溶解卵子的透明带，造成对卵子的猛烈攻击——同时进行锤击和溶解。

对精子在低黏度或高黏度液体中游动的研究并不仅仅是出于学术上的兴趣，数学家正在与生殖专家合作，研究这些关于精子游动的数学知识是否可以改善接受生育治疗的夫妇的诊断结果。在欧洲国家和美国，每六对夫妇中就有一对不孕，每年被转到不孕诊所的人数增加约9%。例如在英国，每年有超过5万名女性接受生育治疗，这几乎是过去20年中每年人数的两倍，导致了超过7万次的周期治疗。其中一个主要原因是，过去40年中，男性的精子数量减少了1/2。现在，每20名男性中就有一人的精子数量偏少。据估计，全球可能有一亿名男性生育力低，这已经引起了关于“人口定时炸弹”的警告。男性因素引起的不育症和无法解释的不孕症是当今夫妇们转而借助辅助生殖技术的主要原因。

女性生殖系统的努力

十年的研究表明，游动对像精子这样的小细胞来说是很困难的。但由于它们灵巧尾部的迷人机制以及宫颈黏液的特性，精子有机会游向卵子。然而，这还不是故事的全部。关于受孕的一种常见误解是认为所有的工作都由精子来完成，而直径约为0.1毫米的卵子处于休眠状态等待受精。女性生殖系统本身可以拉动多种杠杆来帮助精子完成旅程，其中之一就是子宫的肌肉收缩，将子宫积液推向子宫底或子宫顶部。

在月经期间，人们认为宫缩从子宫顶部开始，以每分钟约1次的宫缩速度向宫颈移动，从而帮助排出子宫内膜。然而，在月经周期的剩余时间内，不仅宫缩方向相反，而且宫缩速度更快，大约每分钟3次。这种宫缩速度与精子的游动能力相结合，可使男性一生中会不断产生精子，而女性的卵子数量是有限的，大约有100万个，但到了青春期就会减少到大约30万个。在每个月经周期中，卵子在卵巢中的卵泡里成熟，然后从卵泡中迸发出来，与包裹着卵子的一团细胞一起排出体外。

精子在不到20分钟的时间内到达输卵管——考虑到输卵管的微观尺寸，这段时间短到令人难以置信。一旦精子到达输卵管，就很难确切地知道输卵管内发生了什么，因为它们的结构如迷宫般复杂。但人们普遍认为精子可以在特殊的“隐窝”中留存数天，甚至有人认为精子是以某种方式分批释放的。实际上，女性生殖系统控制着向卵子前进的精子数量。这可能是有原因的：精子数量多的男性可能增加两个精子同时使一个卵子受精的风险，尽管这种情况极为罕见。如果发生这种情况，胚胎将包含69条染色体，而不是46条；这样会导致流产或出生后早逝。这些隐窝可能是降低这种情况发生概率的一种方法，尽管考虑到实验验证的挑战性，目前我们还不清楚真实情况是否如此。

我们现在知道的是，在一次射精的数百万个精子中，可能只有一个会进入卵子。这个成功概率类似于中彩票，但回报是无法估量的——生命。然而，我们仍然需要大量研究来充分了解精子如何到达卵子的精确微观细节。无论未来出现什么惊喜，有一件事将永不改变：

生命始于低雷诺数。

本文经授权节选自《“造人”硬核指南》（中信出版社，2024年12月版）第二章“游泳冠军：精子游向卵子的流体力学”，有删减，小标题为编辑所加。

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