曾經困惑人類的問題—精子到底是什麼？

利維坦按：在古代，別說老百姓，就連醫學家、哲學家對於男性生殖、生男生女等問題的研究都處在猜測階段，比如，古醫師蓋倫就認為，如果是從男性左側睾丸排出的精子，所產生的受精卵就是女孩，右側排出則是男孩……以至於到了18世紀，個別法國貴族還不惜割掉自己左側的睾丸為確保自己能給出生男孩的精子，以繼承家業……

的確，直到今天，我們對於這種小蝌蚪的活動以及構成了解也並不全面。精子到底是什麼——這或許是未來研發男性避孕藥的關鍵所在。

文/Laura Poppick

譯/大葯

校對/安德烈

原文/

本文基於創作共用協議（BY-NC），由大葯在利維坦發布

進化生物學家斯科特·皮特尼克

進化生物學家斯科特·皮特尼克（Scott Pitnick）的紋身算不上不含蓄。一個巨大的黑白精子在他的右前臂上蜿蜒著盤旋，在他的皮膚上鑽進鑽出，拳頭大小的頂體落在他的肱二頭肌上。這位雪城大學（Syracuse University）的生物學家對自己身上非同尋常的身體藝術毫不避諱，這個紋身還在《衛報》名為「引人注目的科學家紋身」的照片集上露了面。

斯科特·皮特尼克手臂上的精子紋身

對皮特尼克而言，這幅精細的紋身作品也反映了他對精子「難以置信的生物結構」的痴迷。他說，考慮到在人類身體中，精子是唯一帶著要被排出體外的目的產生的細胞。為了完成從睾丸到女性生殖系統的旅途，它們需要巨大形體變化才能完成任務。

「沒有其他的細胞能這麼做，」皮特尼克說，他研究精子的時間已經超過了20年。「它們有這種自主權。」

在他的實驗室里，通過生物工程技術，皮特尼克使果蠅精子的頂體發出遊魂一般的紅光和綠光，通過觀察肢解後的雌果蠅的生殖腔中的光亮，他可以觀測到精子在其中的運動。他期待著自己的工作能夠揭示精子在雌性身體中的行為，到目前為止，這方面研究仍處在起步階段。終有一天，研究成果的革新可以揭示為什麼在動物世界中精子存在著多種多樣的形態。不僅如此，研究者們最終也可以藉此找到人類不育的解決方案，也能發明更有效的男用避孕藥。

「我們對精子的功能和行為幾乎一無所知，」皮特尼克說。這些未解之謎的答案和可能就隱藏在這個謎題的另外一半：雌性的身體中。

這可能對那些17世紀的勇敢科學家們來說是個打擊。在17到18世紀的全盛時期，這些科學家們利用了當時最先進的顯微鏡，第一次展開了對精子的研究。早期的精子科學家意識到他們面臨的，是些最基本的問題，例如：精子是活的動物么？它們是種寄生蟲么？或者，是否每個精子里都有個未成型的微型成年人蜷縮在裡面呢？（我們一會兒會講到這個問題。）

列文虎克在早期的顯微鏡中觀察到的兔精子（1-4）與狗精子（5-8）。圖源：維基

安東·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）很有可能是第一位詳細研究精子的科學家。這個荷蘭人發明了早期的複合顯微鏡。開始於17世紀70年代中期，范·列文虎克僅用他的新工具檢查了一些與性無關的東西，例如蜜蜂的刺，人虱和湖水。

同事們敦促他將顯微鏡用於檢查精子。但是他擔心，關於精子和性交的書面報告會被認為傷風敗俗，所以他退怯了。直到1677年，他才最終同意。在檢查自己的精液時，他立刻被其中扭在一起的微型「微生物」震驚了。

他猶豫著，不知道該不該把自己的發現告訴同事，范·列文虎克為倫敦皇家學會寫了一封躊躇不決的信，信中描述了他在1677年的發現。「如果大人您覺得，這些觀察結果會讓受教育的人感覺噁心或者引發醜聞，我以最懇切的心情懇請大人您不要聲張，要發布、要銷毀都悉聽尊便。」

他的「大人」（皇家學會的會長）最終選擇吧范·列文虎克的研究結果發表在了1678年的《自然學會科學報（Philosophical Transactions）》上，以此打開了精子生物學的全新領域。

「我們很難斷言，這些不斷扭動的微型逗號對當時的科學家來說有多麼神秘。在這些「微生物」被發現之前，人類如何生殖繁衍的理論層出不窮，」鮑勃·蒙哥馬利（Bob Montgomerie）說。他是位生物學家，在加拿大皇后大學（Queen"s University）研究動物生殖。例如，有些人認為，男性射精時產生的蒸汽以某種方式刺激了女性，使她們懷孕，另一些則認為，其實是男人在體內產生了嬰兒，再將他們轉移到女性子宮中發育。

「你能想像那種困難么？他們連發生了什麼事請都不知道，」蒙哥馬利說。這也意味著：在沒能觀測到精子和卵子的前提下，這些科學家們真正地在憑空想像他們的理論。

17世紀，不少研究人員都認為，每一個精細胞中都包含著一個微小，但已預先成型的人類。這幅尼古拉斯·哈爾索伊科爾（Nicolaas Hartsoeker）在1695年繪製的素描中就畫出了這種想像。圖源：維基

甚至在1677年范·列文虎克發現了精子的將近200年後，科學家們才在人類形成的過程上達成一致。在這個漫長的過程中，形成了兩類主要觀點：一方面，「先成論（preformationism）」的支持者相信，每一個精細胞——或者每一個「蛋」，說法會因人而異——包含著一個微小，但已預先成型的人類。在這種理論下，蛋——或者精子——僅僅為這個過程提供了發生的地點。

另外一種理論，「後成說（epigenesism）」則認為，女性和男性都為新組織的形成提供了材料，但是到底是誰提供了什麼樣的材料，他們也說不清。18世紀的發現為這個論點提供了更多的證據，包括1759年科學家們觀察到，雞胚胎中的器官是按順序生長的【蒙哥馬利在《精子生物學：演化觀（ Sperm Biology: An Evolutionary Perspective）》一書中記錄了這些事，書由他的同事們編輯，其中包括皮特尼克】。

隨著顯微鏡的進步，19世紀中期的研究人員觀察到了海膽卵中胚胎的發育過程（海膽卵是透明的）。這些發現都進一步否定了「前成說」，並使研究者能夠繼續探索精和卵是如何共同創造新的器官的。

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圖源：Giphy

精子的研究也帶動了對其他身體系統的研究。在20世紀60年代，研究人員分離並命名了「動力蛋白（protein dynein）」，這種蛋白質是精子能夠活動的原因。「結果是，這種驅動蛋白負責著細胞內所有類型的運動，」密西根奧克蘭大學的榮譽教授查爾斯·林德曼（Charles Lindemann）說，他之前是研究精子活動的專家。今天我們知道，動力蛋白與微型細胞結構，比如纖毛和鞭毛的運動密不可分，這些活動是不少身體機能的關鍵因素。

依然，起步階段的生育學進展緩慢。當時本來就少有做研究工作的科學家，更不用提研究精子的科學家了，蒙哥馬利說。據他估測，當時從事精子研究的只有幾打人；相比之下，今天有將近40萬個科學家在研究著癌症。「當時也有人在做這方面的研究，但是可能根本不夠，」蒙哥馬利說。

皮特尼克補充道，最初的那幾個研究精子的科學家有可能沒意識到女性生殖系統在繁殖中的重要性——這種疏忽解釋了始終存在於這個區域的謎題。「原因之一是男性生物學上的偏見導致了他們認為女性是這個過程里不重要的一部分，這種觀點可以一直追溯回『先成論』的觀點，」皮特尼克說。

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從偏向技術的視角來看，雌性體內的精子運動，邏輯上來說，相當難以觀測。就像皮特尼克指出的，在雌性生殖系統中安置攝像機是件很難做到的事。

這也是他熒光果蠅精子的天才之處，通過這種方法，他可以實時監控精子的活動。上面的視頻（動圖）展示了被摘除的雌果蠅生殖道，皮特尼克使用生理鹽水保持了它的活性。雌果蠅生前先與綠色精子的雄果蠅交配，幾天後，又與紅色精子的果蠅交配。只有精子的頂體被熒光蛋白標記，所以在圖中，我們看不見精子的鞭毛。

利用這種技術，皮特尼克能夠進一步了解，為什麼精子存在如此之多的體型和形態。例如，這種熒光精子的鞭毛伸直後足足有6厘米——這和你的小拇指差不多長，也有著動物世界中已知最長的精子長度。他花了幾十年時間來試圖理解，為什麼一隻蒼蠅會進化出這種特徵，最終他的研究結果把答案聚焦在了雌性果蠅的生殖道上。

在皮特尼克專註於果蠅的同時，精子也吸引了致力於幫助人類夫妻懷孕的現代科學家們。皮特尼克的發現也可能無意中幫到他們的忙。「在很多情況下，某對特定的男性和女性的生殖系統可能並不兼容，而他們也不明白內在的機理，」他說。「如果我們搞明白精子和女性之間的互動，也肯定能或多或少了解受孕的機理，甚至為不孕不育找到新的解決方案。」

研究精子的本質也能加速男用避孕藥的研發，丹尼爾·瓊斯頓（Daniel Johnston）說。他是美國國立衛生研究院避孕藥研究所的所長。到目前為止，研究者們嘗試過了所有的方式，從油膏到藥片，但是還沒能找到有效、可靠的男用避孕藥。瓊斯頓說，科學家們仍然面對著一個最基本的問題：精子到底是什麼？

精細胞的形態在不同生物間有著巨大差異。圖中所示的果蠅精子在展開後可長達6厘米.

「我們得搞清楚精細胞到底是由什麼組成的，」瓊斯頓說。他一直在做精細胞蛋白質全成分分析——這是設計有效的避孕藥至關重要的第一步。「知道了它的構成，我們就有可能開始明白（避孕藥）到底要阻止什麼了。」

最近，一個叫做「男用避孕藥倡議會」的民間組織了一項比賽，他們將資助勝出的創新型避孕藥項目。貢達·喬治（Gunda Georg），一位在明尼蘇達大學工作的藥用化學家，通過了比賽的第一輪試煉。她關於小鼠不孕基因的研究最終可以利用在男用避孕藥的研發上。

她當下的研究可用於確定合適的用藥劑量，並檢測潛在的副作用。總而言之，「如果一個男的停了葯，他得完全地恢復正常，」喬治說。

瓊斯頓有機會也想在國立衛生研究院內推動這類研究，這樣，既可以加速男用避孕藥的發明，也能滿足他25年來對精子研究本身的不斷關注。「精細胞簡直太迷人了，」瓊斯頓說，「絕對的獨一無二。」

皮特尼克自然同意他的說法。在早期范·列文虎克等人展現出的羞赧在這個領域已經不復存在了，他說。「我覺得到了今天，沒有多少科學家會因為談論這種話題而感到任何程度的不適，」皮特尼克說。對他個人而言呢？「我愛精子生物學，」他回答，「我會給所有喜歡聽的人講這事兒的。」

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