精子長度達身體20倍,它是怎麼做到的

2021年09月19日08:36

  來源:科研圈

  這並非源於雄性的自負,而是源自雌性的身體。

圖 | JaredZammit, CC BY-SA 2.0
圖 | JaredZammit, CC BY-SA 2.0

  在人體中,也許不存在比精子更有“野心”的細胞了,它有著足夠的耐心等待著成為完整的生物體,也是唯一一個執行此類任務的細胞:離開自己的“家園”,然後努力活到能夠進行繁殖的時刻。

  為了達成這一目標,精子已經演化成了所有細胞中最與眾不同的那一個。我們中的大部分人都會把精子想像成一個長著腦袋和長長尾巴的小個頭游泳健將,但其實,精子細胞的外觀會根據它們所屬的不同物種而存在差異。比如,甲殼綱動物介形蟲(ostracods)的精子幾乎完全由頭部組成;而一些軟體動物則會產生一種巨大的精子“助手”——精子束(spermatozeugma),它能夠讓小個頭的“游泳健將”們黏附於上,就如同那些擠在公交車上的通勤者們緊緊抓住的車扶手。

  比精子在外觀上的差異更令人驚歎的是它們在大小上的不同。最具代表性的例子是一種名為二裂果蠅(Drosophila bifurca)的北美果蠅,它身長只有幾毫米,然而產生的精子長度可超過 7 釐米,達到了身體長度的 20 倍。

自然界中不同形態的精子。a。海膽的精子;b。豬蛔蟲的爬行態精子;c。已知的最長精子——二裂果蠅的精子;d-f。來自不同植物的精子,分別擁有 2-1000 多根鞭毛;g,h。 兩種鳥類精子。| https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10265-017-0936-2
自然界中不同形態的精子。a。海膽的精子;b。豬蛔蟲的爬行態精子;c。已知的最長精子——二裂果蠅的精子;d-f。來自不同植物的精子,分別擁有 2-1000 多根鞭毛;g,h。 兩種鳥類精子。| https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10265-017-0936-2

  即使考慮到身體比例,二裂果蠅的精子也是世界上最長的,這甚至讓人類、黑猩猩、魚類、鯊魚乃至鯨魚的精子相形見絀,也遠超那些能產生巨型精子的動物。當然,還有很多其它無脊椎動物也能產生尺寸相當大的精子,比如蚰蜒屬的蜈蚣以及大仰蝽屬的仰泳蝽。

  這些巨型精子的起源一直是個謎。不過 2021 年 6 月一項發佈在《自然-生態學與進化》(Nature Ecology & Evolution)上的研究揭示了巨型精子的真正驅動因素,以及導致其整體多樣性的原因:

  雌性的受精模式。

  走近“巨型精子”

  Ariel Kahrl 是瑞典斯德哥爾摩大學(Stockholm University)的進化生物學家,也是這篇論文的合著者之一。她解釋說,她和她的同事很想瞭解一下精子演化的方式和原因。

  他們的研究能夠回答很多問題,諸如為什麼二裂果蠅的精子大小會是它們身體的 20 倍。Kahrl 說:“這就像是把一粒米和一輛火車放在一起作比較。此前,很多人試圖通過觀察特定的群體來理解巨型精子的來源,比如鳥類、魚類和昆蟲,但從沒有人嚐試著後退一步,在更為廣泛的自然體系中用演化的規律去解讀。”

  研究人員假設,進行體內受精的生物所產生的精子會比體外受精生物的精子更大。體內授精的雄性(internal fertilizers)和拋灑式授精的雄性(sperm casters)可將精子釋放到能夠被雌性所吸收的環境中,而那些體外受精的動物則是將精子和卵子同時釋放到周圍環境中去。前兩者的精子演化速度可能比後者更快,而且它們的精子與雌性的“互動”更為頻繁。

  科學家們還推測,體內授精和拋灑式授精的雄性,精子長度多樣性更豐富。因為它們的精子已經適應了時刻和雌性生殖道保持一致的發展步伐。

  總而言之,研究人員共分析了 21 個門的 3000 多個物種,從海綿動物到節肢動物再到脊索動物(比如人類)。他們將這些研究對象區分為脊椎動物和無脊椎動物,並通過不同的受精方法進行劃分,包括體外受精、體內受精和拋灑式。隨後,他們構建了一顆包括每個物種的生命樹,並繪製了它們之間的聯繫圖,以補償種間關係,避免結果的偏差。

  Kahrl 表示:“我們發現我們之前的假設是正確的。”結果顯示,體內受精會產生比其他受精方式長 6 倍左右的精子;此外,體內受精和拋灑式受精的動物,其精子演化得更快,往往表現出更多樣的尺寸變化。

  Kahrl 補充道,在體內受精動物中,幾乎所有的巨型精子都是由無脊椎動物產生的。它們的身體足夠小,以至於精子可以長到足以相互取代。想像一下,這就好比一群賽跑者在一個場地上比賽,第一個跑到終點的人將為整個團隊贏得勝利。當處於一個狹小而擁擠的場地上時,讓自身有足夠的空間成長才是關鍵;而處在一個廣闊的領域中時,團隊成員越多,越能確保勝利。

  居於首位的“第二性”

  根據這項研究,演化速度最快的精子往往與雌性生殖系統接觸最多。Kahrl 表示,雌性生殖系統的大小與其相互作用的精子的大小密切相關,綜合而言,這些因素能夠表明雌性推動了精子的演化。

  美國雪城大學(Syracuse University)的一位精子科學家 Scott Pitnick 解釋道:“這真是一個奇蹟。這個研究小組所做的一切其實都非常艱巨。” 他認為,或許 Kahrl 所想要解決的問題非常簡單,但這些問題也可能是最難回答的。

  梳理大量科學文獻、獲得足夠的計算機算力開展比較生物學研究直到最近才在技術上得以實現。此外,該團隊還公開了由此產生的龐大數據庫,讓其他研究人員也能夠利用他們的工作成果。

  Pitnick 表示,這篇論文還強調了整個領域中最重要、但卻被問及最少的問題:精子是如何與雌性相互影響的?他說道:“然而,現實情況是,在生物學中存在著巨大的男性偏見,因為我們對雌性生殖道在此過程中發揮的作用一無所知。”

  畢竟精子細胞的使命是在雌性生殖道中有效地找到正確的方向,使卵子受精。僅在顯微鏡下研究精子而忽視雌性的解剖結構,就如同 Pitnick 所描述的“只靠動物園做比較生物學研究”一樣。Pitnick 指出,由於科學家忽視了雌性在此過程中所起的作用,傳統的精子質量與數量的研究範式總是傾向於通過顯微鏡進行觀察研究而已。

  更重要的是,精子細胞通常在進入雌性體內之後才會完成發育,這一過程被稱為“精子射精後修飾”(Post-Ejaculatory Modifications to Sperm,PEMS)。Pitnick 補充道,許多精子的核心蛋白質,比如代謝性蛋白,都來自雌性。通過觀察整個動物界的精子變化,科學家們發現了許多奇怪的現象,比如精子長度增加了十倍,或者進入雌性體內會發生內外翻轉。

  Pitnick 對此總結道:“我們仍處於雌性生物學研究的黑暗時代,這篇論文對此提出了一個很好的觀點。如果我們想要瞭解精子的多樣性,就必須摒棄過去的偏見,將注意力轉向雌性生物學。”

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