來源 | discover magazine
作者 | connor lynch
翻譯 | 許楚楚
編輯 | 魏潇
在人體中，也許不存在比精子更有“野心”的細胞了，它有着足夠的耐心等待着成為完整的生物體，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。
為了達成這一目标，精子已經演化成了所有細胞中最與衆不同的那一個。我們中的大部分人都會把精子想象成一個長着腦袋和長長尾巴的小個頭遊泳健将，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産生一種巨大的精子“助手”——精子束（spermatozeugma），它能夠讓小個頭的“遊泳健将”們黏附于上，就如同那些擠在公共汽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，它身長隻有幾毫米，然而産生的精子長度可超過 7 厘米，達到了身體長度的 20 倍。
自然界中不同形态的精子。a.海膽的精子；b.豬蛔蟲的爬行态精子；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，分别擁有 2-1000 多根鞭毛；g,h. 兩種鳥類精子。圖檔來源：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、鲨魚乃至鲸魚的精子相形見绌，也遠超那些能産生巨型精子的動物。當然，還有很多其它無脊椎動物也能産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 月一項釋出在《自然-生态學與進化》（nature ecology & evolution）上的研究揭示了巨型精子的真正驅動因素，以及導緻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，她和她的同僚很想了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了解巨型精子的來源，比如鳥類、魚類和昆蟲，但從沒有人嘗試着後退一步，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，進行體内受精的生物所産生的精子會比體外受精生物的精子更大。體内授精的雄性（internal fertilizers）和抛灑式授精的雄性（sperm casters）可将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将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，體内授精和抛灑式授精的雄性，精子長度多樣性更豐富。因為它們的精子已經适應了時刻和雌性生殖道保持一緻的發展步伐。
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）。他們将這些研究對象區分為脊椎動物和無脊椎動物，并通過不同的受精方法進行劃分，包括體外受精、體内受精和抛灑式。随後，他們建構了一顆包括每個物種的生命樹，并繪制了它們之間的聯系圖，以補償種間關系，避免結果的偏差。
kahrl 表示：“我們發現我們之前的假設是正确的。”結果顯示，體内受精會産生比其他受精方式長 6 倍左右的精子；此外，體内受精和抛灑式受精的動物，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，在體内受精動物中，幾乎所有的巨型精子都是由無脊椎動物産生的。它們的身體足夠小，以至于精子可以長到足以互相取代。想象一下，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将為整個團隊赢得勝利。當處于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，越能確定勝利。
居于首位的“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互相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：“這真是一個奇迹。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作。此外，該團隊還公開了由此産生的龐大資料庫，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：精子是如何與雌性互相影響的？他說道：“然而，現實情況是，在生物學中存在着巨大的男性偏見，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确的方向，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“隻靠動物園做比較生物學研究”一樣。pitnick 指出，由于科學家忽視了雌性在此過程中所起的作用，傳統的精子品質與數量的研究範式總是傾向于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内之後才會完成發育，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，或者進入雌性體内會發生内外翻轉。
pitnick 對此總結道：“我們仍處于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。如果我們想要了解精子的多樣性，就必須摒棄過去的偏見，将注意力轉向雌性生物學。”
原文連結：
https://www.discovermagazine.com/planet-earth/why-fruit-flies-won-natures-prize-for-longest-sperm
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41559-021-01488-y
2020年熱文精選
1. 杯具了！滿滿一紙杯熱咖啡中，滿滿的塑膠微粒…
2. 美英澳科學家《自然醫學》再添力證：新冠病毒乃自然進化産物，或有兩種起源…
3. nejm：間歇性禁食對健康、衰老和疾病的影響
4. 一年内治愈失眠！研究發現：改善睡眠，你或許隻需要一條沉重的毯子
5. 哈佛新研究：僅12分鐘的劇烈運動，能為健康帶來巨大的代謝益處
6. 第一項人類幹預試驗：在大自然裡“摸爬滾打”28天，足以提高免疫力
7. 垃圾食品是“真.垃圾”！它奪走了端粒長度，讓人老得更快！
8. cell解謎：不睡覺真的會死！但緻死的變化不是發生在大腦，而是腸道…
9. 《自然通訊》超大規模研究：血液中鐵的水準是健康與衰老的關鍵！
10. 不可思議！科學家一夜之間逆轉動物“永久性”腦損傷，還讓老年大腦恢複了年輕态…