科學也可以如此靠近

最快最強的精子才能與卵子結合?其實是運氣好而已

10月
11
2018

2018年10月11日22時 今日科學 酷玩實驗室

酷玩實驗室

本文轉載自:環球科學ScientificAmerican

公眾號ID :huanqiukexue

從睪丸網的腔洞中釋放的健康精子(紅色)。(圖片: Innerspace Imaging)

人類的受精過程通常都被描述為一場聲勢浩大的游泳馬拉松,只有速度最快、最強壯的精子才能贏得與卵細胞結合的獎勵。然而,真正的人類受精過程,卻與人們所想像的場景有著千差萬別。在這篇文章中,著名生物人類學家Robert Martin為我們講述一個真實卻陌生的受精過程。

撰文 | Robert Martin

編譯 | 陳德芊

審校 | 楊心舟 吳非

在科學能夠解釋人類的繁衍之前,大多數人認為新生命是由非生命物質自發產生的。17世紀中葉,自然哲學家們勉強能夠用肉眼看到女性的卵細胞。他們還以此創建了名叫先成論(preformation)的理論,認為所有的生命都是在神創造世界的時候產生的,新的生命就存在於女性的卵子中,像俄羅斯套娃一樣。

可能有人會認為,隨著科學進步,清晰生物學鏡片的出現會推翻這個理論。但事實相反,當顯微鏡終於能夠讓研究人員看清精子和卵細胞時,先成說理論變成了一個新的、更具父權主義的政治思想:哲學家和一些研究生殖的學生認為,卵子只是一個被動的、等待有活力的精子來啟動發育的容器。而精子呢?每一個精子的頭部都有一個微小的,已經成型的人。1695年,荷蘭數學家和物理學家尼古拉斯·哈特索克(Nicolaas

Hartsoeker)首次在顯微鏡下觀察到人類精子的時候,畫出了精子裡的侏儒形象。哈特索克承認,他當時並沒有看到這個侏儒,但是他相信它就在那裡。

尼古拉斯·哈特索克認為,精子中住著一個個小人。(來源:wikipedia)

更清晰的顯微鏡最終推翻了這個理論。但是從某種程度上說,並沒有很多改變。先成說的殘留堅持了下來,把卵子在受精中看做被動的參與者,等待活躍的精子歷經艱險前來賦予生命。無論是在大眾傳媒還是科學媒體,人類的受精過程通常都被描述為一場聲勢浩大的游泳馬拉松,只有速度最快、最強壯的精子才能贏得與卵細胞結合的獎勵。然而,真正的人類受精過程,卻與人們所想像的場景有著千差萬別。

為什麼有這麼多精子?

高精度顯微鏡顯示,在人類平均半茶匙的射精量中,含有大約2.5億個精子。但這也留下了一個關鍵問題:「為什麼存在這麼多精子?」事實上,研究表明,一旦男性射出的精液中精子數量少於1億,女性懷孕的機率就會降低。

對此,一個常見的解釋是精子競爭。就像是買彩票一樣,你買的彩票越多,中獎的幾率就越高。同理,自然選擇也讓精子數量劇增,像是一種為得到生育這個獎勵而進行的軍備競賽。

精子競爭的案例在動物世界中也確實存在。我們的近親黑猩猩就經常進行混亂的交配,同一個雌性可能依次與幾個雄性交配。這種哺乳動物擁有能快速產生大量精子的能力。大量精液在陰道中凝結,起到暫時阻斷競爭者精液進入的作用。

而對於人類,儘管有各種聳人聽聞的說法,但並沒有令人信服的證據表明人類男性在生理上適應了精子競爭。很多群居靈長類動物的社會單元中,只有一個能夠繁殖的雄性,其睪丸往往因缺乏直接競爭而較小。人類與這些靈長類動物極度相似。人類的睪丸僅有核桃大小,是黑猩猩的三分之一,而且人類精液中異常精子的比例遠高於黑猩猩的。由於缺乏直接的精子競爭,人類似乎已經放鬆了對精液質量的控制。

與黑猩猩相比,人類缺乏直接的精子競爭。(來源:pixabay)

對於無需直接經歷精子競爭的物種來說,唯一可能的解釋就是高精子數量與基因多樣性有關。在40多年前發表的幾篇鮮有人引用的論文中,英國伯明罕大學的生物學家傑克·科恩(Jack Cohen)指出,精子數量和其產生過程中的染色體的拷貝數相關。減數分裂期間,成對染色體通過交叉互換交換大量遺傳物質。科恩發現,在不同物種間,的交叉互換次數越多,精子數量也越多。

億分之一的好運

其他的發現也與大眾觀點不同。舉例來說,多數哺乳動物的精子其實並不能完全游過雌性的生殖道,很大一部分需要通過子宮和輸卵管的運動來運輸。令人震驚的是,平均而言,小型哺乳動物的精子要比更大型的哺乳動物更長,因此對於小型哺乳動物來說,精子游過較短的生殖道或許可行。但對於更小的藍鯨精子,在沒有幫助的條件下,在雌性藍鯨生殖道需要遊動的距離是老鼠的100倍,這顯然是不可能的。令人信服的證據同樣表明,人類精子在穿越子宮、進入輸卵管的路程中,被動運輸了相當遠的距離。這可不像之前描述的奧林匹克賽跑健將一樣!

事實上,人類一次射精射出的2.5億個精子中,只有幾百個能夠到達進行受精的輸卵管。與其說是游泳競賽,受精的道路更像是充滿挑戰的軍事障礙課程。精子的數量隨著它們在女性生殖道內移動而遞減。所有形態異常的精子都無法完成這個路途,只有隨機的完整精子能夠到達卵子周圍,成為倖存者。

精子游向卵細胞的過程需要歷經重重障礙。(來源:wordpress)

很多精子甚至不能到達宮頸。精子無法在陰道的酸性環境中存活很久。通過宮頸時,很多成功離開陰道的精子會被困在宮頸口的粘液中,而所有的畸形精子都無法通過這裡。此外,成千上萬的精子會進入稱作隱窩的小管結構中,並在其中儲存幾天。只有很少的精子可以直接穿越宮腔,而在進入輸卵管的過程中,精子的數量會進一步減少。一旦進入輸卵管,精子會暫時被束縛在輸卵管內表面,只有部分會被釋放,能夠接近卵子。

將成功與卵細胞結合的精子比作奧運冠軍的觀念掩蓋了一個事實,即一次射精可以包含太多精子。如果有太多精子圍繞卵子,多個精子同時授精卵子(多精入卵)的風險就會增加,這可能會導致災難性的後果。多精入卵偶爾會發生,特別是男性的精子數量非常多的時候。大多數結果是兩個精子進入了同一個卵子,這會導致胚胎細胞含有69條染色體,而不是通常情況下的46條染色體,這通常會導致流產的致命後果。為了避免多精入卵,女性生殖道逐漸演化出的一系列屏障,嚴格限制卵細胞周圍的精子數量。

多精入卵的可能性為精子數量的演化提供了新的線索。關於精子競爭的討論通常只集中於精子數量的最大化上。但是正如生物學中所常見,某種權衡同樣存在。如果雄性中存在直接競爭,自然選擇會導致精子數量的增加,但雌性同樣也會增強某些機制來限制卵細胞周圍精子數量。例如靈長類中的特例黑猩猩,它們的交配更加開放,精子競爭更加激烈,因此雄性產生的精子數量也更多,相對應的雌性演化出更長的輸卵管來限制接近卵子的精子數量。這也表明,雌性在生殖過程中的表現並不像通常認為的一樣被動。

其他誤區

還有一種根深蒂固的觀點認為,只有最優秀的精子能夠勝利。由此引發的各種各樣的猜想都認為,其中發生了某種選擇,但是很難想像,這些選擇是如何發生的。位於精子頭部的DNA處於高度凝聚狀態,幾乎是結晶狀的,那麼雌性個體又怎麼能夠從外部檢測這些DNA的性質呢?例如,小鼠實驗表明,個體並沒有對精子內是Y染色體還是X染色體進行選擇。人類的受精似乎更像是一個從2.5億張彩票中進行抽獎,對於健康的精子來說,成功受精的本質只是超越其他精子的運氣。

人們一直相信,射精後,精子就會瘋狂地游向卵子,同時認為人類的精子在女性生殖道中只能生存兩天。然而,從20世紀70年代中期開始,越來越多的證據表明,人類精子至少可以完好無損地生存5天。現在,人們普遍接受了精子可以存活10天或更長時間的觀點。

羅伯特·愛德華爵士(Sir Robert Edward)因體外受精的研究獲得2010年諾貝爾獎。在他超過1000頁的教科書《人類女性》(1980)中,在一句話中提到了宮頸隱窩。在這之後,很多其他作者同樣簡短地提及宮頸隱窩中儲存的精子。精子可能存活10天或更長,這徹底衝擊了所謂的「自然」避孕方式的思想。

另一種危險的誤解是,老年男性仍保持完全的生育能力。這與更年期女性生育能力的突然消失形成鮮明對比。很多證據表明,男性精子的數量和質量都隨年齡增加而降低。此外,最近有研究稱,精子突變的速率是卵細胞的四倍,所以老年男性的精液事實上含有的風險因素很高。

很多文章中都寫到,工業社會中,女性的初次生育年齡越來越大,這帶來了一系列生育問題。然而,老年男性的日益嚴峻的生殖問題,尤其是精子突變的快速累積,很大程度上沒有得到重視。

如今,哈特索克精子中的「小人」故事似乎已經隱藏在時間的迷霧中,只是作為人類生殖細胞早期探索中一個錯誤而有趣的例證被談及。但它的影響以及引發的男性偏見,也已經留存在了生殖學問題的文化刻板印象中,以一種更加微妙的形式繼續存在著。

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