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。
撰文 " Connor Lynch
翻译 | 赵冰莹
审校 | 石云雷
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。
二裂果蝇的精子 图片来源：S。 LÜPOLDet al。/NATURE2016
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。他们还推测，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。
二裂果蝇与其他物种的精子比较图片来源：S。LÜPOLDetal。/NATURE2016
“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
本文转自《环球科学》
