一些最大的精子來自最小的動物。

以盤旋在熟透的香蕉上的微小果蠅為例。雄性果蠅保持著最長精子的世界紀錄,長達五公分。這大約是它們身體大小的 20 倍(也是人類精子長度(0.05 毫米)的大約 1000 倍)。

這種物理現象呈現出真正的包裝噩夢。這就像將數千根釣魚線放入鞋盒中一樣。風險在於雄性性細胞完全纏結而無法到達卵子。然而不知何故,這種情況並沒有發生,科學家們長期以來一直想知道為什麼。

《自然物理學》的一項新研究提供了答案。紐約熨斗研究所的研究人員研究了一種現成的表親:黑腹果蠅。, 科學家們用實驗室果蠅來研究從遺傳學到癌症的廣泛生物過程。它的精子長約兩毫米,幾乎和蒼蠅本身一樣長。

當應用數學家邁克爾·雪萊和他的團隊在顯微鏡下觀察精子時,他們發現它們並沒有聚集成一個凌亂的球。相反,它們整齊地排列成平行的行,就像意大利麵條條在一鍋水中旋轉時粘在一起。精子並排排列,在精子儲存器官的範圍內彎曲。整個團塊似乎以緩慢、輕柔的波動一起移動,而精子本身也在移動。

為了了解精子的個別運動如何與整體相對應,科學家使用高分辨率視覺化技術進行了更多實驗,包括用不同的明亮顏色對精子進行染色並即時追蹤它們。

根據結果,研究小組得出結論,果蠅精子不會纏結,因為它們不斷移動,在相反的通道上相互滑動,以保持整個質量的流動性和組織性。 「這就像一條有 1000 條車道的高速公路,所有汽車都朝相反的方向行駛,」該論文的主要作者雪萊博士說。

雪萊博士解釋說,這種行為與人類精子的行為非常不同,人類精子在液體池中透過拍打尾巴來推動自己前進。果蠅精子排列得非常緊密,幾乎沒有任何液體可以推動。相反,精子像蛇一樣透過尾巴發出波動的波浪。當一個精子發出的波遇到相鄰精子的波(其朝相反方向傳播)時,兩者會相互推動。這種運動使整個麵團保持移動並防止纏結。

當精子被一一分離出來時,它們似乎根本沒有動彈。雖然尾巴還在拍動,但身體卻只是在原地扭動著。該研究的第一作者、生物學家賈斯明·伊姆蘭·阿爾蘇斯 (Jasmin Imran Alsous) 表示:“這不僅僅是英雄游泳者到達卵子的過程;這是一種集體行為。”

斯德哥爾摩大學研究整個動物界精子演化的演化生物學家約翰·菲茨帕特里克(John Fitzpatrick)說,這項發現為精子如何運動的古老圖景提供了不同的視角。菲茨帕特里克博士沒有參與這項研究,他說:「我們想像精子拍打尾巴,像池子裡的人一樣游泳,但這根本不是這裡發生的事情。」「它們必須推動某些東西來推動自己前進,而它們推動的可能是精子或女性生殖道。這是一個非常有趣的發現,」他補充道。

菲茨帕特里克博士說,這項研究提供了第一個即時視覺化結果,展示了擁有大精子的小動物如何設法保持精子不打結並發揮作用。果蠅並不是唯一的例子:微小的羽翅甲蟲是另一個例子,它產生的精子大約是身體大小的兩倍。 (精子細胞必須盤繞成緊密的螺旋彈簧,以適應昆蟲微小的身體。)另一種是種子蝦,這種小型甲殼類動物產生的精子長度可達其身體長度的七倍。

在每個例子中,動物都必須克服相同的物理問題:如何包裝和部署比自身更大的性細胞。這項研究提供了關於果蠅如何做到這一點的基本發現。

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