精子能长多长,竟是雌性说了算?

时间:2021-10-04 来源:

作为在生殖中承担重要责任的细胞,精子一直备受关注。精子在形态和大小上的多样性,一直让人备感困惑。近期,一些科学家研究了3000多种动物的生殖方式和精子长度,他们证明了是雌性,而不是雄性的自负,导致了怪异的巨型精子的出现。


在人体中,似乎没有细胞比精子更有雄心壮志了。它们为成为一个新的完整的有机体而准备着,但也是唯一种要离开自己家的细胞,并努力存活足够长的时间,以完成繁殖。


为了做到这一点,精子进化成为了最具有多样性的细胞。虽然大多数人都会把它想象成一个微小的、有头和长尾巴、能游动的细胞。但是,不同生物实际上已经演化出不同的精子外观。比如,甲壳类动物介形虫(ostracods)的精子几乎只有头部。一些软体动物的精子拥有巨大的精子束(spermatozeugma),以帮助精子在受精时紧紧粘附在卵细胞上。


但相比于它们外表上的差异,更令人吃惊的是它们在大小上的差异。二裂果蝇(Drosophila bifurca)是其中最具代表性的例子。它来自北美,身长约1厘米,但形成的精子却可长达7厘米


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二裂果蝇的精子 图片来源:S. LÜPOLD et al./NATURE 2016


事实上,即使考虑到动物的身体比例,二裂果蝇产生的精子依旧是世界最长的。这使人类、黑猩猩、鱼类、鲨鱼甚至鲸鱼的精子相形见绌。且二裂果蝇的精子也比其他能产生巨型精子的动物的精子都大。除了二裂果蝇,其他一些无脊椎动物能够产生较大的精子,如蚰蜒属(Scutigera)的蜈蚣以及大仰蝽属(Notonecta)的仰泳蝽。


这些巨型精子的起源一直是个谜。但今年6月发表在《自然·生态学与进化》的一项研究揭示,巨型精子出现以及精子具有多样性的真正原因是雌性



巨型精子的产生


这篇论文的合著者Ariel Kahrl是斯德哥尔摩大学的进化生物学家,她和同事想要了解精子进化的方式和原因。这样的研究可以解释很多问题,比如,为什么二裂果蝇的精子大小比它们的身体长这么多?


Kahrl说:“生物的精子在长度上存在巨大差异,类似于一粒米和一辆列车的差别。很多人试图通过观察某些特定的群体来理解它的起源,比如研究鸟类、鱼类和昆虫。但没有人真正后退一步,尝试在在一个更广泛的框架上应用进化法则。


他们曾假设,采取体内受精的动物产生的精子,会比体外受精的生物的精子更大。此外,还有另一种可能性:相比于采取体外受精的动物,采取体内受精和抛洒式受精(将精子释放到可被雌性吸收的环境中)的动物的精子进化的速度更快。这是因为这两种受精方式让精子与雌性的互动更频繁。还推测,体内受精和抛洒式受精生物的精子长度更加多样化,这是因为精子会进化,以适应雌性的生殖道。


在这项研究中,他们分析了来自21个动物门的3000多个物种,从海绵动物到节肢动物再到脊索动物(比如人类)。他们根据是否为脊椎动物,以及不同的受精方法(包括体外受精、体内受精和抛洒式受精)对动物进行了分类。然后他们构建了一棵包含了所有物种的树图,并绘制了它们之间的连接图来补充物种之间的关系,以避免结果出现偏差。


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二裂果蝇与其他物种的精子比较 图片来源:S. LÜPOLD et al./NATURE 2016


“我们的发现证实我们的假设是正确的,”Kahrl表示。平均而言,采取体内受精的动物产生的精子的长度是体外受精动物的6倍左右。体内受精和抛洒式受精动物的精子进化得更快,尺寸上更具有多样性


她补充道,在采取体内受精的动物中,几乎所有产生巨型精子的都是无脊椎动物。由于它们的身体足够小,因此精子可以长到足以取代彼此。想象一下,当在一块场地上有一群赛跑者在比赛,第一个跑到终点的人就能为整个团队赢得胜利。在一个小而拥挤的场地,精子大到有足够大的施展空间才是最重要的;但当在一个巨大的场地上时,团队成员的数量越多,越能确保胜利。



雌性是首要决定因素


根据这项研究,进化最快的精子往往与雌性生殖系统接触最多。Kahrl表示,雌性生殖系统的大小和与之互动的精子的大小是紧密相关的。总的来说,这些因素表明是雌性推动了精子进化。


雪城大学研究精子的科学家Scott Pitnick解释道:“这项研究是一个奇迹。研究人员所做的一切其实都很困难。”他表示,他们面临的问题本身可能相当简单,但回答这些问题却十分困难。


直到最近,科学家才有可能梳理这个方向的许多研究论文,通过必要的计算处理能力,来进行比较生物学研究。该团队还公开了研究产生一个大型数据库,方便其他研究人员来利用他们的工作成果。


Pitnick表示,这项论文还强调了整个领域中最重要、但最少被问及的问题:精子是如何与雌性互动的?他指出:“事实上,在生物学中,我们对雄性对精子的影响等有着详细的了解,但并不了解雌性生殖道对精子的作用。”


毕竟,精子的目标是在雌性的生殖道中找到正确的方向和快速移动,使卵子受精。Pitnick称,只在雄性体内或显微镜下研究精子,而忽略雌性生殖系统的解剖结构,就像是“研究比较生物学只研究动物园的动物”。他解释道,因为忽视了雌性的作用,在传统的精子质量和数量的研究中,科学家总是倾向于后者。


更重要的是,精子往往在进入雌性体内后才能发育完全,这个过程也被称为“射精后精子修饰”(Post-Ejaculatory Modifications to Sperm)。他表示,许多精子中的核心蛋白质,比如一些参与代谢的蛋白都来自雌性。通过观察整个动物界中各种精子的修饰过程,我们发现了许多奇怪的现象,比如在雌性体内,精子的长度增加了10倍或者会进行内外翻转。


“我们目前对雌性生物学仍缺乏很多了解,”Pitnick说。“这篇论文提出了一个很好的观点 。如果我们想要理解精子多样性,就必须抛弃过去的偏见,把注意力转向雌性生物学。”


原文链接:

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

论文链接:

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

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