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精子奥秘新发现

2017-08-24 14:46:00

人和大多数高级动物都是有性繁衍,需要两性的生殖细胞结合才能孕育新的生命。现在,对男性(雄性)生殖细胞精子的研究发现,精子的很多特点是人们以前并不知晓的。了解这些知识不仅有实用价值,如治疗不育和避孕,而且会深刻地理解生命进化的历程和生命存在的规律。

精子与体型成反比

同一类动物的精子基本上大小相同,但是不同种类的动物精子就会有差异。如果以大象和老鼠比较,哪一个的精子大?对此,可能有人会有先入为主的印象,认为当然是大象的精子大,老鼠的精子小,因为这两种动物体型差异太大了,体型大,精子自然就大。不过,研究结果告诉人们,恰恰相反,老鼠的精子反而比大象的大。

瑞典斯德哥尔摩大学的菲茨帕特里克等人对动物体型的大小与精子大小之间的关系进行了研究,选取了100种不同种类的哺乳动物的精子进行观察,研究结果发表在20151118日的英国《皇家学会生物学分会学报》上。研究的结论之一是,雄性动物的精子与体型的大小成反比,体型越大,精子越小;体型越小,精子越大。这种情况产生的原因在于雌性

动物生殖器官的大小,但最终的原因是,要保证精子与卵子成功而有效的结合,以保证种群的繁衍。

大象精子小的原因在于,雌象的生殖器官很大,雄性的精液进入雌象生殖器官后首先会被稀释,精子也会变得稀少,这种情况就像地广人稀,一个人走很长的路都遇不到另一个人一样。在这种情况下,精子遇到卵子并结合形成受精卵的机会就很少。所以,进化的策略让体型大的动物,如大象从改进精子出发,以确保精子能与卵子快速和有效结合,产生大量的精子就是一个策略。但大量精子的产生又以精子的小为代价,因为小,精子才会多,这些进入雌性生殖道的大量精子能够保证其中一两个精子寻觅到卵子并与其结合。所以,对于大型动物来说,精子的数量高于质量,需要以量取胜。

反过来,体型较小的老鼠精子却较大,原因是,在雌鼠较小的生殖器官中,精子会很容易就找到卵子,而且不会跑很多路,再加上雌鼠会与不同的雄鼠交配,雄鼠的精子就存在很大的竞争关系。这几种因素促成了一种结果,精子要个头大,才会有取胜的机会,所以,老鼠的精子比大象的精子还大。当然,大象也存在雄性精子竞争的问题,但大象的生殖器官也大,所以精子个头大小的重要性就退居次要。对于小型动物来说,精子的质量高于数量,需要以质取胜。

老鼠的精子也并非很大,如果以果蝇的体型与精子的长度相比,果蝇的精子算是相当大的。果蝇的精子可以卷起来,如果伸直,能长达6厘米,远远超出果蝇自身的身长。不过,在哺乳动物当中,以身体比例衡量,家鼠的精子个头最大,人类和亚洲象的精子则相对来说都很小。人类的精子直径一般是6~9微米。

不同动物精子大小的事实表明,性选择或者繁殖之战促成了动物精子有不同寻常的多样性,产生了大、小、长、短、厚、薄各不相同的精子。

精子躲到哪儿去了?

无精症是指男性的精液检查没有发现精子,但是有一个严格的标准,即一名男性排出的精液中连续3次找不到一个精子,才能称为无精症。无精症的后果之一当然是不育,这种原因造成的不育约占男性不育患者的15%~20%。无精症的原因有两大类:一是睾丸本身功能障碍,称为原发性无精症或非梗阻性无精症;二是睾丸生精功能正常,但因男性生殖系统梗阻,精子无法排出体外,称为梗阻性无精症。

梗阻性无精症又有多种原因,包括睾丸内梗阻,占梗阻性无精症的15%;附睾梗阻,占梗阻性无精症的30%~67%;其余则包括输精管梗阻、射精管梗阻和精道远端功能性梗阻。

梗阻性无精症也意味着,这些男性并非没有精子,而是精子排不出来。那么,这些男性的精子藏到哪里去了呢?研究发现,它们是藏在睾丸中。美国底特律福特医院的研究人员发现,尽管一些男性精液内没有活的精子,但对他们的睾丸活检时会发现其睾丸内还是有活的精子。即便如此,以传统的男性生殖专业理念判断,梗阻性无精症也是很难治疗的,被称为睾丸衰竭,难以孕育后代。因为,躲在睾丸中的精子与能够穿过男性生殖管道的精子不同,精子穿过或通过男性生殖管道的过程是一种“获能”的过程,意味着能获得使卵子受精的能力。睾丸内的精子没有通过男性生殖管道,就缺少了一种使卵子受精的能力。

不过,现在研究人员发现,过去的认识并非完全正确。如果采用特殊的技术,也能发现和利用躲在睾丸中的精子,让其与卵子结合,从而治疗梗阻性无精症男子的不育。为此,福特医院的研究人员研发了一种显微外科手术,称为显微睾丸取精术,以获取无精症男子的精子。

在采用显微睾丸取精术之前,需要对患者进行睾丸活检,使用手术显微镜识别睾丸的哪些细管正在生产精子,以便准确获取精子。这种方法除了能获取更多精子外,也会最大限度地减少血管或睾丸等部位损伤,更容易让医生发现活着的精子。

获取精子后,还要采用另一种技术,卵子胞浆内单精子显微注射技术,才能让卵子和精子结合受精,这两种技术结合在一起就成为显微睾丸取精-卵子胞浆内单精子显微注射(TESE-ICSI)。以这种方式受精的卵子再转移到女性子宫内可发育成胎儿。卵子胞浆内单精子显微注射也称为第二代人工生殖技术(第一代是体外受精和胚胎移植,第三代是胚胎植入前遗传学诊断)。

因此,找到躲藏起来的精子是治疗梗阻性不育症的一个有效手段。

精子的运动技巧

精子是如何游动找到卵子的?过去的研究表明,卵子有吸引精子的趋化性以及可能吸引精子的物质,因此可以让精子找到卵子并与卵子结合。但是,更重要的是,精子必须有强大的运动能力,才能游到卵子存身的地方与卵子结合。

精子的运动是靠自身摆动长尾巴,驱使自己前进。精子的长尾巴是一种鞭毛,可以通过扑打来向前运动。扑打尾巴的运动需要动能,精子的动能来自哪里呢?研究发现,精子运动的推动力既依赖于精子的解剖特点,也依赖于精子鞭毛内部的能量代谢。

解剖发现,精子鞭毛上有纵行排列的收缩蛋白、粗大纤维和相关的微丝及微管。为了克服诸如宫颈黏液这样的黏性腔液的阻力,精子需要有持久的推动力。于是,精子通过自身的能量代谢过程产生能量,即把三磷酸腺苷酶(ATP)这种生物化学能量转变为机械动能,推动精子游动。水生动物的精子常常靠这样的游动方法让精子穿过水域去与卵子相会。

不过,当生殖系统完全位于体内时,如人的生殖系统,精子就需要和大量的表面积做抗衡,精子的移动会需要更多的能量。事情是否是这样呢?新的研究也发现,尽管精子可以通过能量转换来推动自身前进,但精子也会利用女(雌)性生殖道的环境进行滑行,以节约能量,就像鸟儿在空中飞行会利用上升的热气流托举一样进行滑行飞翔。

加拿大多伦多大学的辛顿研究团队拍摄了人类精子在距离玻璃表面1微米时的活动现象,并将其与在大量溶液中游动的精子做比较。结果发现,当精子在一个表面上游动时,会采取一种特别的滑行游动方式,从而能够沿着表面游得更快更直。当精子处于模仿人类生殖道的黏液中时,这种滑行游动出现的频率会更高。这表明,精子可以利用滑行节约能量。

相比之下,公牛的精子在紧贴一个表面时游得更慢。输卵管是人类精子与卵子相会和受精的地方,是一个封闭而高度黏稠的环境,也是一种狭窄的通道。人类精子采用的滑行游动模式似乎非常适合人体的生殖系统。相比之下,牛的输卵管更大,因此公牛精子和表面发生摩擦关系的机会要低得多,因此,主要靠精子的供能进行游动。人类的精子沿着输卵管表面游动的机会更多,因此会采用一些滑行的行为。这种滑行不仅能节约能量,而且精子会游得更快更直,也能更有效地找到卵子并与之结合。

这也说明,人类精子的运动更适应狭窄生殖系统环境。

锻炼影响精子运动

此外,此前的研究表明,人类精子的运动有快慢之分,可用精子活力标准来衡量。精子活力分为5级:0级表示精子不能活动;1级表示精子活力差,只在原地蠕动;2级表示精子活力一般,只能向前曲线运动;3级表示精子活力很好,能直线向前运动;4级表示精子活力极好,呈快速直线向前运动。

正常精子的活力应为,3级与4级之和超过50%,活动精子中至少有25%的精子呈直线快速运动。如果012级精子超过50%4级小于25%,可判定为精子活力低。

有些人的精子运动慢或活力低并非只是与遗传和疾病有关,而且与是否锻炼有关。西班牙科尔多瓦大学的戴安娜·瓦阿蒙德博士等人对经常运动和不爱运动的31名男性志愿者进行研究,评估他们的精液质量和激素水平方面的差异,研究内容包括调查精子数、精子活力等,也分析包括雄激素(睾丸激素)、皮质醇和卵泡刺激素等激素水平。结果发现,爱运动的男性精液多项指标更好。与惯于久坐者相比,经常锻炼的男性的精子形成情况更好,游动速度更快。

但是,另一研究表明,过度运动的人精子质量反而较差。瓦阿蒙德博士及其同事于2010年完成的一项研究也表明,体育明星的精子质量比普通经常运动的男性更差。一个重要原因是,过量高强度运动反而会导致精子质量下降。所以,尽管锻炼有助于提高精子质量,但是过量运动也会物极必反。

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