揭秘精子如何游动 高倍显微镜下人类受精全过程

众所周知，在细胞的尺度上，精子可以说是游泳冠军，对科学家来说，粗略观察精子游泳一点都不难，但想仔细地研究精子游动的细节却不是件容易的事。因为精子像闪电侠那样神龙见首不见尾--如果不算尾巴的话，人的精子身长只有4-5微米，必须要用高倍数的显微镜放大了看才能看清它的模样；但精子先生每秒却可以移动几十倍于自身体长的距离，高倍的镜头压根跟不上精子先生的速度，更别说分析它运动的姿态了。 难道我们只能永远雾里看花地看精子先生吗？科学家们自然不会答应。发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文里 ，加州大学洛杉矶分校的苏亭伟等三人发明了一种全息影像技术，终于成功弄清了精子先生的移动方式。 这种技术摒弃了传统的显微镜镜头，而是将含有精子的样品放置在一块小芯片上。在芯片的正上方，一个红色的LED灯将光照向精子，并在芯片上留下每个精子水平移动时头部的阴影。与此同时，另一个蓝色的LED灯则以不同的角度照向精子，使精子垂直移动时产生的阴影也得以被芯片记录。
图1. 左图为全息影像系统的示意图，右图为重组的1575个精子运动的3D模型图。不同的颜色代表同一个精子头部处于这个位置时的时间。 苏亭伟等发现精子先生们虽然都是摇动着小尾巴前进，但前进的具体形式却又可被细分为4种。其中大约有超过90%的精子采取的是普通前进方式：这些精子以极快的速度前进（每秒140微米，近自己身长的40倍）。在前进时，它们也会偶尔像醉汉一样左右摇晃。比较文艺的精子先生则能走成一个非常完美的螺旋型，但文艺毕竟是稀缺货，这类精子先生也只占了全体精子的4%-5%左右。在剩下的精子先生中，有一些走得非常狂野，喜欢横冲直撞；而另一些则东施效颦，走法介于文艺型和狂野型之间，不伦不类。
图2. 精子四种不同的运动方式。小图为顶视图。 虽然我们成功观察到了精子先生游泳的姿态，但却留下了更多的问题：为什么精子先生会采用4种不同的走路方式？这些方式背后的机理何在？对于精子先生的活性又有什么影响？想要读懂精子先生仍然需要更多的努力。不过目前学界对这项不用显微镜的观察技术也很是兴奋，研究精子先生的无疑多了一项利器，需要看清其他微观物体的实验室也有了新的研究思路。"下一步？我们要看清精子先生的小尾巴！"苏亭伟的导师如是说。

以下是高倍显微镜下的精子照片：


一个成年男性每天可产生7000万-1.5亿个精子


射精过程中精子的运动速度可达28英里/时
这张彩色图片上的紫色人类卵子坐落在一个柱状物上。它上面包裹一层透明带状物--醣蛋白，这种物质既具有保护卵细胞的作用，又能诱捕和限制精子。两个红色冠细胞粘贴在透明带状物上。


正常性成熟的男子一次射精排出数千万甚至高达2亿左右个精子，图为精子游向卵细胞



正常性成熟的男子一次射精排出数千万甚至高达2亿左右个精子，图为精子游向卵细胞



一个精子试图进入卵子的瞬间

最终，一个精子进入卵细胞
受精后8天。胚芽完成"着陆"，微微嵌入子宫内膜
精子完全进入卵子体内以后，通过核的融合，使父、母各23条染色体结合成为46条(23对)染色体，然后形成一个新的细胞。


精子进入卵子，形成新细胞



胚胎形成




胚胎发育中