撰文：Hermes Gadelha（约克大学应用数学讲师）
1. 一趟千难万险的征途
每一次，大约有5500万个精子，会随着男性的射精而被释放出来，这个数字相当于伦敦或纽约总人口的六倍还多，超过上海总人口的两倍。当然，不是所有这些精子都能长成婴儿。事实上，只有约15个精子能够顺利通过女性的生殖系统。这是因为对一个精子来说，成功受精一个卵子需要经历一趟危险而坎坷的历程。
现在，我们的一项最新研究发现了能使人类精子在让卵子受精的这场激烈竞赛中胜出的力量之源——精子的尾巴。
在生殖系统中，精子会遭遇复杂的化学和物理环境：它们必须摆脱阴道中致命的酸性物质，穿透粘稠的宫颈粘液屏障（这比水要粘稠一百倍），避免被困在宫颈隐窝里，忍受住子宫的收缩，才能最终找到通往输卵管的狭小入口，并在那里与从卵巢排出的卵子相遇。而在这一切发生的整个过程中，子宫中的白细胞都在不断地攻击精子。
在经历了这一道道的险阻之后，精子还必须穿透卵子周围的另一层厚厚的保护层，才能最终完成受精。对于一个微小的精子而言，所承受的这一切似乎太过困难了，但这些都是出于保护目的的屏障——子宫要用来孕育婴儿的，而精子有可能是一种携带疾病的入侵力量。
我们的研究发现，包裹在人类精子尾部的加强层赋予了精子足够的力量，使它们能够强有力且充满节奏地游动，从而最终突破胶状的宫颈粘液的围堵。
2. 通关的秘密武器
精子的尾巴也叫做鞭毛，虽然它的长度非常的细，但却异常复杂。为了研究精子是如何工作的，研究人员使用一种虚拟的精子模型，将人类、其他哺乳动物的精子（体内受精）与海胆的精子（在体外的开放水域受精）进行比较。
我们发现，虽然海胆的精子尾巴和人类的精子尾巴有着相同的弯曲内核，但哺乳动物的精子尾巴似乎进化出了一层加强了的外层。这个外层为精子提供了足够的力量和稳定性，使它们能够克服体内受精时会遭遇到的厚厚的液体屏障。
○ 不具有（上）和具有（下）加强层的虚拟精子。| 图片来源：作者
我们利用虚拟的精子模型来添加和去除不同物种的精子尾巴的特征，创造出了一个科学怪人“弗兰肯斯坦”般的精子。我们还增加了精子需要游过的液体的粘度。模拟结果表明，对于与海胆精子相似的虚拟精子而言，当它们在如宫颈粘液般粘稠的液体中游动时，精子尾巴在压力作用下会迅速弯曲，这就意味着它们无法推动自己前进。在很多情况下，这会困住精子，让它们绕着圈游动。
人类的精子与此不同：在像水一样的低黏度液体中，人类精子会疯狂地扭动，但在较粘稠的液体中，它们会以一种强有力的、波浪般充满节奏的方式游动。这种差异在实际的实验中也得到了证实，在粘稠液体中游动的海胆精子和人类精子表现出了与模拟结果一致的行为方式。当然，我们不知道更强壮的精子和子宫粘液到底哪一个最先进化出来，或者它们是不是共同进化的。
3. 对未来的影响
这些研究不仅让我们从进化的角度审视精子，还为生育临床提供了更好的精子选择方法，这让医生能够轻易地识别出更适合体外人工受精（IVF）的精子。
自1970年以来，西方男性的精子数量减少了一半，男性生育能力问题已经成为一个全球性的挑战。在英国，每7对夫妇中就有一对被诊断出生育能力下降，而精子功能障碍是其中最常见的原因。每6对夫妇中就有一对接受生育治疗；每100个出生的孩子中就有一个是通过体外人工受精受孕的。
但通过体外人工受精来孕育孩子也是非常困难的，其中四分之一的妊娠都会以流产告终。在英国，体外人工受精的成功率在2%到33%不等，这取决于女性的年龄，35岁以下的女性成功率要高得多。此外，治疗费用也相当昂贵。
我们的研究强调，是人类精子尾部的精确适应性，使得它们能够在宫颈粘液中游动；而这也强调了在评估和筛选用于体外人工授精的精子过程中，模仿生殖系统的自然选择对挑选合适精子的重要性。
这是一个重要的发现，因为目前临床中使用的方法是“精子计数”，这种方法并不能很好地预测受精能否成功，而且临床中也并没有使用高粘度的流体来模拟宫颈粘液。很显然，我们需要更多的研究和深入的临床测试，以此来评估新的发现对未来的体外人工授精的确切影响。
原文标题为“How we solved the mystery of the human sperm tail – and what it could mean for the future of IVF”，首发于2019年3月20日的The Conversation。原文链接：https://theconversation.com/how-we-solved-the-mystery-of-the-human-sperm-tail-and-what-it-could-mean-for-the-future-of-ivf-113695. 中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准
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