精子如何像軍隊一樣戰鬥丨混亂博物館_風聞
观察者网用户_241334-2020-06-05 10:30
上世紀六十年代曾經有一句著名的反戰口號:Make love,Not war ,可每次參與人類受精過程的2.5億枚精子中,僅有1%能順利到達這場馬拉松長跑的重要檢查點——子宮頸,其場面儼然不亞於一場戰爭。在這種古老運動的背後,精子向卵子進發的過程卻常被人描述成只有一個贏家的生死競速賽,難道生命從最開始就已經在向我們詮釋達爾文主義?
本期原文作者是我們的老朋友——牛津在讀博士王大可。你將瞭解到,許多生物精子的形態和行為。實際上它們之間並非只有你死我活的競爭關係,而是會像一支訓練有素的軍隊一般集體行動,甚至還存在甘當綠葉的輔助精子——它只為幫助正常精子完成受精的終極使命。這就是生命誕生前的無私頌歌。
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-文字稿-
説到精子,大家腦子裏浮現的可能是一隻隨處亂竄的蝌蚪。

這隻蝌蚪可分為頂體、頭部、中部和尾部四個部分,最前端的頂體負責釋放頂體酶,用來融化進入卵子的通道,頭部裝載着最重要的遺傳物質,中部則存放供能的線粒體,細長的尾部提供前進動力,在這些部分的共同作用下,精子才得以和卵細胞結合,發育成生命個體。

但事實上,精子不只有一種形態,甚至在同一個個體內,精子都能長得不一樣,這就是精子的多態性(Sperm polymorphism)。

很多無脊椎動物可以同時生產正常精子(Eupyrene)和輔助精子(Parasperm),正常精子裏面有一套染色體,擁有正常的功能,輔助精子內沒有或缺失部分染色體,沒有受精能力。精子的唯一使命就是讓自己的染色體在另一個個體中延續,輔助精子連染色體都沒有,它圖什麼呢?

學者提出了很多假説試圖解釋這種現象。早在1916年,遺傳學家理查德·哥德施密特(Richard Goldschmidt)就在《科學》上發表文章,提出了 不利假説(Non-adaptive),猜測異常的精子只是精子生產線上的殘次品。

但輔助精子如此普遍地在生物中存在,其中必有蹊蹺。於是出現了支持輔助精子有用論的種種假説。
一種假説認為,有些動物射精前的精子沒有受精能力,射精後在輔助精子的幫助下才能逐步成熟。學者小山內実(Osanai . M)自1987年起,發表了一系列文章,他發現了一種蛾子,其雄性個體射精前的正常精子和輔助精子都是不能動的,隨後輔助精子搶先獲得移動能力,並在前往雌性卵子的道路上,一步步幫助正常精子啓動,也就是賦能。

另外一種假説認為,輔助精子在運輸精子過程中起作用,比如有些正常精子藉助輔助精子搭順風車,就比如像體外受精的海膽(Echinoid),它的輔助精子有兩條尾巴,互相勾連把正常精子包裹在裏面,形成一張保護網,防止被海水稀釋。

還有假説認為,輔助精子充當了移動「電源」,在正常精子精疲力竭的時候,消耗自己,給它提供能量。以及,當有其他雄性的精子企圖破壞正常精子時,輔助精子會去代替它,避免其受傷。最後還有一種競爭假説,輔助精子可能會堵在雌性生殖道內,阻止其他競爭者的精子進入。

總而言之,輔助精子一生下來,它的命運就被決定了,它沒有爭奪王冠的權力,它只是精子的無私同盟。
就算沒有輔助精子,正常精子們也未必就是一盤散沙,它們可以組成各種陣型。比如把頭部摞在一起,這叫做精子堆積(Rouleaux),也有的首尾相連,這叫做精子火車(Sperm train),或者尾巴纏在一起,這叫做精子束(Sperm bundles)。



科學家們試圖解釋精子們聯合起來到底有什麼進化優勢。
第一種假説認為,精子運動速度和尾部擺動產生的波長成正比,因為波長取決於尾巴的長度,所以聚集的精子體型更長,跑得就更快,在精子競爭中就更有優勢。

第二種則認為,團結起來,活得更久。對精子來説,雌性體內的生存環境非常惡劣,受精過程中精子會受到雌性免疫系統的攻擊,每多待一秒,就會多一倍的傷害。精子們包裹在一起,那麼只有最外層的精子會暴露在危險環境之中,內部的精子可以最大程度地保存實力,到達接近卵子的地方再遊離出來。

第三種假説則是,精子聚集起來更容易穿透卵子,因為多個精子的頂體聚集在一起同時釋放頂體酶,加快融化通道的速度。

在極端惡劣的環境下,連精子也學會了團結、合作與犧牲,從而達到了更快、更持久、穿透力更強的目標,最終生命得以延續,生生不息。這就是精子的讚歌。