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 。
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 。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. 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
