在人体中,也许不存在比精子更有“野心”的细胞了,它有着足够的耐心等待着成为完整的生物体,也是唯一一个执行此类任务的细胞:离开自己的“家园”,然后努力活到能够进行繁殖的时刻。为了达成这一目标,精子已经演化成了所有细胞中最与众不同的那一个。我们中的大部分人都会把精子想象成一个长着脑袋和长长尾巴的小个头游泳健将,但其实,精子细胞的外观会根据它们所属的不同物种而存在差异。
比精子在外观上的差异更令人惊叹的是它们在大小上的不同。最具代表性的例子是一种名为二裂果蝇的北美果蝇,它身长只有几毫米,然而产生的精子长度可超过7厘米,达到了身体长度的20倍。即使考虑到身体比例,二裂果蝇的精子也是世界上最长的,这甚至让人类、黑猩猩、鱼类、鲨鱼乃至鲸鱼的精子相形见绌,也远超那些能产生巨型精子的动物。
这些巨型精子的起源一直是个谜。
不过2021年6月一项发布在《自然-生态学与进化》上的研究揭示了巨型精子的真正驱动因素,以及导致其整体多样性的原因:雌性的受精模式。研究人员假设,进行体内受精的生物所产生的精子会比体外受精生物的精子更大。体内授精的雄性和抛洒式授精的雄性可将精子释放到能够被雌性所吸收的环境中,而那些体外受精的动物则是将精子和卵子同时释放到周围环境中去。
前两者的精子演化速度可能比后者更快,而且它们的精子与雌性的“互动”更为频繁。
科学家们还推测,体内授精和抛洒式授精的雄性,精子长度多样性更丰富。因为它们的精子已经适应了时刻和雌性生殖道保持一致的发展步伐。总而言之,研究人员共分析了21个门的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)。他们将这些研究对象区分为脊椎动物和无脊椎动物,并通过不同的受精方法进行划分,包括体外受精、体内受精和抛洒式。
结果显示,体内受精会产生比其他受精方式长6倍左右的精子;此外,体内受精和抛洒式受精的动物,其精子演化得更快,往往表现出更多样的尺寸变化。Kahrl补充道,在体内受精动物中,几乎所有的巨型精子都是由无脊椎动物产生的。它们的身体足够小,以至于精子可以长到足以相互取代。
根据这项研究,演化速度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与其相互作用的精子的大小密切相关,综合而言,这些因素能够表明雌性推动了精子的演化。Pitnick指出,由于科学家忽视了雌性在此过程中所起的作用,传统的精子质量与数量的研究范式总是倾向于通过显微镜进行观察研究而已。更重要的是,精子细胞通常在进入雌性体内之后才会完成发育,这一过程被称为“精子射精后修饰”。
Pitnick补充道,许多精子的核心蛋白质,比如代谢性蛋白,都来自雌性。通过观察整个动物界的精子变化,科学家们发现了许多奇怪的现象,比如精子长度增加了十倍,或者进入雌性体内会发生内外翻转。Pitnick对此总结道:“我们仍处于雌性生物学研究的黑暗时代,这篇论文对此提出了一个很好的观点。如果我们想要了解精子的多样性,就必须摒弃过去的偏见,将注意力转向雌性生物学。”