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    生殖研究 Reproductive study

    精子能長多長,竟是雌性說了算?

    發布日期:2021-10-04    作者:昭遠制藥    

    作為在生殖中承擔重要責任的細胞,精子一直備受關注。精子在形態和大小上的多樣性,一直讓人備感困惑。近期,一些科學家研究了3000多種動物的生殖方式和精子長度,他們證明了是雌性,而不是雄性的自負,導致了怪異的巨型精子的出現。


    在人體中,似乎沒有細胞比精子更有雄心壯志了。它們為成為一個新的完整的有機體而準備著,但也是唯一種要離開自己家的細胞,并努力存活足夠長的時間,以完成繁殖。


    為了做到這一點,精子進化成為了最具有多樣性的細胞。雖然大多數人都會把它想象成一個微小的、有頭和長尾巴、能游動的細胞。但是,不同生物實際上已經演化出不同的精子外觀。比如,甲殼類動物介形蟲(ostracods)的精子幾乎只有頭部。一些軟體動物的精子擁有巨大的精子束(spermatozeugma),以幫助精子在受精時緊緊粘附在卵細胞上。


    但相比于它們外表上的差異,更令人吃驚的是它們在大小上的差異。二裂果蠅(Drosophila bifurca)是其中最具代表性的例子。它來自北美,身長約1厘米,但形成的精子卻可長達7厘米。


    二裂果蠅的精子 圖片來源:S. LüPOLD et al./NATURE 2016


    事實上,即使考慮到動物的身體比例,二裂果蠅產生的精子依舊是世界最長的。這使人類、黑猩猩、魚類、鯊魚甚至鯨魚的精子相形見絀。且二裂果蠅的精子也比其他能產生巨型精子的動物的精子都大。除了二裂果蠅,其他一些無脊椎動物能夠產生較大的精子,如蚰蜒屬(Scutigera)的蜈蚣以及大仰蝽屬(Notonecta)的仰泳蝽。


    這些巨型精子的起源一直是個謎。但今年6月發表在《自然·生態學與進化》的一項研究揭示,巨型精子出現以及精子具有多樣性的真正原因是雌性。


    巨型精子的產生


    這篇論文的合著者Ariel Kahrl是斯德哥爾摩大學的進化生物學家,她和同事想要了解精子進化的方式和原因。這樣的研究可以解釋很多問題,比如,為什么二裂果蠅的精子大小比它們的身體長這么多?


    Kahrl說:“生物的精子在長度上存在巨大差異,類似于一粒米和一輛列車的差別。很多人試圖通過觀察某些特定的群體來理解它的起源,比如研究鳥類、魚類和昆蟲。但沒有人真正后退一步,嘗試在在一個更廣泛的框架上應用進化法則。”


    他們曾假設,采取體內受精的動物產生的精子,會比體外受精的生物的精子更大。此外,還有另一種可能性:相比于采取體外受精的動物,采取體內受精和拋灑式受精(將精子釋放到可被雌性吸收的環境中)的動物的精子進化的速度更快。這是因為這兩種受精方式讓精子與雌性的互動更頻繁。他們還推測,體內受精和拋灑式受精生物的精子長度更加多樣化,這是因為精子會進化,以適應雌性的生殖道。


    在這項研究中,他們分析了來自21個動物門的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)。他們根據是否為脊椎動物,以及不同的受精方法(包括體外受精、體內受精和拋灑式受精)對動物進行了分類。然后他們構建了一棵包含了所有物種的樹圖,并繪制了它們之間的連接圖來補充物種之間的關系,以避免結果出現偏差。


    二裂果蠅與其他物種的精子比較 圖片來源:S. LüPOLD et al./NATURE 2016


    “我們的發現證實我們的假設是正確的,”Kahrl表示。平均而言,采取體內受精的動物產生的精子的長度是體外受精動物的6倍左右。體內受精和拋灑式受精動物的精子進化得更快,尺寸上更具有多樣性。


    她補充道,在采取體內受精的動物中,幾乎所有產生巨型精子的都是無脊椎動物。由于它們的身體足夠小,因此精子可以長到足以取代彼此。想象一下,當在一塊場地上有一群賽跑者在比賽,第一個跑到終點的人就能為整個團隊贏得勝利。在一個小而擁擠的場地,精子大到有足夠大的施展空間才是最重要的;但當在一個巨大的場地上時,團隊成員的數量越多,越能確保勝利。


    雌性是首要決定因素


    根據這項研究,進化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和與之互動的精子的大小是緊密相關的。總的來說,這些因素表明是雌性推動了精子進化。


    雪城大學研究精子的科學家Scott Pitnick解釋道:“這項研究是一個奇跡。研究人員所做的一切其實都很困難。”他表示,他們面臨的問題本身可能相當簡單,但回答這些問題卻十分困難。


    直到最近,科學家才有可能梳理這個方向的許多研究論文,通過必要的計算處理能力,來進行比較生物學研究。該團隊還公開了研究產生一個大型數據庫,方便其他研究人員來利用他們的工作成果。


    Pitnick表示,這項論文還強調了整個領域中最重要、但最少被問及的問題:精子是如何與雌性互動的?他指出:“事實上,在生物學中,我們對雄性對精子的影響等有著詳細的了解,但并不了解雌性生殖道對精子的作用。”


    畢竟,精子的目標是在雌性的生殖道中找到正確的方向和快速移動,使卵子受精。Pitnick稱,只在雄性體內或顯微鏡下研究精子,而忽略雌性生殖系統的解剖結構,就像是“研究比較生物學只研究動物園的動物”。他解釋道,因為忽視了雌性的作用,在傳統的精子質量和數量的研究中,科學家總是傾向于后者。


    更重要的是,精子往往在進入雌性體內后才能發育完全,這個過程也被稱為“射精后精子修飾”(Post-Ejaculatory Modifications to Sperm)。他表示,許多精子中的核心蛋白質,比如一些參與代謝的蛋白都來自雌性。通過觀察整個動物界中各種精子的修飾過程,我們發現了許多奇怪的現象,比如在雌性體內,精子的長度增加了10倍或者會進行內外翻轉。


    “我們目前對雌性生物學仍缺乏很多了解,”Pitnick說。“這篇論文提出了一個很好的觀點 。如果我們想要理解精子多樣性,就必須拋棄過去的偏見,把注意力轉向雌性生物學。”





    原文鏈接:

    https://www.discovermagazine.com/planet-earth/why-fruit-flies-won-natures-prize-for-longest-sperm


    論文鏈接:

    https://www.nature.com/articles/s41559-021-01488-y



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