一直以來科學家在二維顯微鏡下俯視精子，就以為：精子是在左右擺動尾巴來前行。
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眼睛欺騙了我們。研究人員發現，人類精子運動並非此前的認識。最新的三維高速顯微鏡下，精子是在滾動中前行的。具體而言，精子頭部旋轉，尾部則繞著遊泳軸滾動，如此實現了前行。
7月31日，這項研究發表在了《科學進展》（Science Advances）。研究者來自英國布里斯託大學和墨西哥國立自治大學。
圖 | 精子遊泳的三維展示。（來源：POLYMATHS-LAB.COM）
300 多年前，顯微鏡之父、荷蘭科學家列文虎克觀察自己的精液，發現了精細胞，並且描述說，這些精子在像水蛇一樣遊動。幾個世紀以來，科學家用顯微鏡從上方往下看，都得到了統一的結論：精子通過左右移動尾巴來遊泳。
多年後，美國作家愛德華·多尼克在科普著作《生命之種》（The Seeds of Life）中記載了這個歷史瞬間：1677 年一個秋日的夜晚，列文虎克和妻子正在做愛。他「高潮射精後不足幾秒便立刻」跳起身來，帶著精液樣本直奔自己的顯微鏡。在顯微鏡下，列文虎克看到「數以千計沙粒般大小的活體微型動物正在遊動」。
人類的精子在像水一樣的低黏度液體中會瘋狂地扭動，但在較粘稠的液體中，它們會以另一種波浪般的節奏遊動。
精子尾巴長度只有頭髮的直徑那麼長，且結構複雜。研究人員採用先進的高速三維顯微鏡技術重建了精子的真實運動。這套系統中，高速相機每秒超過 55000 幀，顯微鏡載物台帶有壓電裝置，可以極高速率來上下移動樣品，只有如此，才能以三維方式掃描精子。
研究發現，精子頭部在旋轉，尾部也在旋轉，而兩個旋轉是各自獨立的。精子尾巴（鞭毛）其實是單側擺動的，有點像水獺遊泳，是滾動向前。這是一種非對稱的遊泳技術，有點類似地球在自轉的同時繞著太陽公轉一樣，精子在頭部旋轉的同時，擺動尾巴來向前推進。另一個比喻則是旋轉的陀螺，在旋轉中發生位移。
墨西哥國立自治大學阿爾貝托·達斯宗（Alberto Darszon）博士說，這項研究將改變人們對精子活力和自然受精的理解。
據《科學在線》（LiveScience），英國謝菲爾德大學男科學教授艾倫·佩西（Allan Pacey）評價說，精子到達卵子的過程絕非簡單的遊泳，因為那是一個液體少得多的複雜環境。
女性的宮頸是粘稠的狹窄通道，輸卵管則有起伏的細胞壁，精子還需應對肌肉收縮以及逆向的液體流動。佩西說，要在臨床中使用三維顯微鏡，需要實現快速、便宜的自動化操作。
論文通訊作者之一、布里斯託大學數學生物學家赫耳墨斯·加德爾哈（Hermes Gadelha）表示，由於一半的不育症是男性因素引起的，那麼這項研究有助於開發精子診斷工具以及識別不健康的精子。
一個男人的一次射精大約有 5500 萬個精子，這相當於倫敦或紐約人口的 6 倍，或者是上海人口的 2 倍。
然而，只有很少數的精子能通過女性的生殖道進入卵子。生殖道有複雜的化學和物理環境。精子必須能耐受陰道的酸性環境，要穿過厚厚的宮頸粘液屏障，在從子宮頸到輸卵管的路上還有白細胞殺手，畢竟對於女性身體而言，精子是一種外來物質，甚至是一種可能帶來疾病的物質。
加德爾哈一直在利用數學模型來研究精子。他們發現，人類精子尾巴有著精確的適應性，使其能夠在宮頸粘液中遊泳。他希望能夠精確描述精子的運動。
加德爾哈出生於巴西，橫跨數學邏輯、物理學、工程學和醫學。在獲得牛津大學數學博士學位後，他擔任了劍橋大學的數學研究員，之後又回到牛津擔任默頓學院講師。2015 年到 2019 年擔任約克大學應用數學講師，目前是布里斯託大學助理教授。
精子是如何運動到達卵細胞的呢？早在 2017 年，加德爾哈根據精子的運動規律，寫出一個神奇的數學公式，用於描述精子如何有節奏地穿過液體物質。
當人類精子細胞遊動時，向前的動力來自精子細胞尾部的「連通彈簧」。這些「彈簧」可以傳輸機械信息，當它蠕動時可幫助它彎曲，從而實現運動前進。
當精子遊動時，尾部不同部分是如何彎曲的呢？他們觀察到，精子頭部旋轉時，尾部末端會有反方向的彎曲，這叫做逆傾向現象。
圖|精子的運動模式（來源：Science Advances）
關於精子運動的新認知，還可能給軟機器人和人工智慧研究帶來洞見。畢竟，精子的運動是用它的身體進行計算，而不是用大腦。在加德爾哈看來，這正是很多工程師所追求的。
當然，隨著觀測儀器的進步，科學家可能會再一次發現，我們對精子運動的最新理解其實也有問題，但科學就是這樣發展的。「我們的錯誤比以前少了，」加德哈說，「但相比未來，我們還是有更多錯誤認知。」
