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人類精子如何游泳﹖
英國布里斯托大學(University of Bristol﹐UOB)與墨西哥國立自治大學(Universidad Nacional Autonoma de Mexico﹐UNAM)的研究人員﹐最近打破了生育科學領域人們對精子游動的普遍認知。
300多年前﹐荷蘭科學家雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)使用早期顯微鏡觀察人類精子﹐對精子的描述是「有尾巴﹐游動時鞭子形狀的尾巴會像蛇擺動﹐彷彿鰻魚游泳。」然而直到最近﹐科學家才發現這其實是視覺錯覺(optical illusion)。
UOB的Hermes Gadelha博士及UNAM的Gabriel Corkidi博士﹑Alberto Darszon博士﹐利用最先進的3D顯微鏡與數學計算﹐建立精子尾巴游動的3D模型﹐使用每秒記錄55,000幀影像的高速攝影機及帶壓電裝置的顯微鏡載物台﹐精子樣本能以極高的速率上下移動﹐同時研究人員自由地3D掃描游動精子。研究結果揭示﹐其實精子是搖搖晃晃地螺旋向前游動﹐且尾巴只會朝單側轉動﹐雖然這看似讓精子原地繞圈﹐實際上精子找到適應此擺動方式的同時﹐還能向前游動。
https://youtu.be/KxvYPv2hUvI
▲ 300年前到現在的精子游動模型。
UOB工程數學系Polymaths實驗室(Polymaths Laboratory)負責人兼生育數學專家Gadelha博士說﹕「人類精子就像戲水的水獺﹐以螺旋方式在水中移動。精子會在游動時旋轉﹐而單側划水可使整體平衡並向前游動。」用2D顯微鏡觀察精子時﹐由於精子快速游動及同時轉動造成觀察者錯覺﹐會誤以為精子左右對稱移動﹐雷文霍克17世紀時以顯微鏡觀察到的就是這種樣子﹐於是將精子移動方式描述為像鰻魚。
https://youtu.be/it3OxdWa67Q
▲ 精子游動的2D模型。
https://youtu.be/MBKdKbYHSk0
▲ 精子游動的3D模型。
Gadelha博士解釋﹕「我們發現精子找到一種方式補足游動時的不平衡與不對稱﹐精子在不對稱中建立對稱性﹐巧妙解決微觀尺度的數學問題。然而﹐似水獺的人類精子旋轉其實非常複雜﹐精子頭部旋轉時﹐尾部會繞著游泳的方向同時旋轉。這個運動過程在物理學稱為進動(precession)﹐就像地球或火星自轉時﹐亦有自己的公轉軌道繞著太陽進動。」。
目前無論臨床或研究使用的電腦輔助精液分析系統﹐都是看到精液運動的2D模式圖。就像雷文霍克第一次觀察精液並用該系統分析精液品質﹐仍因視覺錯覺而認為精子是以對稱性方式運動。
Gadelha博士補充﹕「男性要為不孕負一半責任﹐因此了解精子尾部的運動是未來開發診斷工具﹑辨認不健康精子的基礎。」。
這項研究徹底改變人們對精子的理解﹐亦會影響自然受精。時至今日﹐我們依然對環境複雜的女性陰道及精子游動如何影響受精所知甚少﹐研究團隊相信﹐先進的3D顯微技術會幫助我們揭開更多精子的神祕面紗﹐有朝一日﹐這項技術會廣泛應用到臨床醫學中心。
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