精子对于我们星球上几乎所有生物的受精过程至关重要，包括人类。为了繁殖，人类精子必须游动的距离相当于攀登珠穆朗玛峰才能找到卵子。它们通过摆动尾巴，移动流体来向前游动。虽然超过5000万个精子将无法到达卵子——相当于伦敦或纽约人口的六倍以上——但只需要一个精子就能使卵子受精，最终成为一个人类。
精子在1677年首次被发现——但科学家们大约花了200年才就人类实际上是如何形成的达成一致。
“前成形论者”认为每个精子包含一个微小的缩影人类——即小人。他们认为卵子只是为精子提供了一个生长的地方。另一方面，“后成形论者”则认为男性和女性都为形成新生命做出了贡献，18世纪的发现为这一理论提供了更多证据。
尽管科学家现在更好地理解了精子在生殖中的作用，但我们的最新研究表明，精子实际上一直在欺骗科学家。
17世纪，安东尼·范·列文虎克开发了第一台显微镜。他使用一块熔融玻璃，仔细研磨和抛光以创建强大的透镜。其中一些可以将物体放大270倍。值得注意的是，更好的透镜在200多年后才被创造出来。
列文虎克的透镜使他成为微观世界的第一位探索者，能够看到包括细菌、细胞内部和精子在内的物体。当列文虎克第一次发现精子时，他将其描述为“活的动物体”，具有“尾巴，在游泳时像蛇一样摆动，像水中的鳗鱼”。
令人惊讶的是，我们对精子游动方式的看法自那时以来并未改变。今天使用现代显微镜的任何人仍然会做出完全相同的观察：精子通过左右摆动尾巴向前游动。
但正如我们的最新研究所示，我们实际上在过去350年中一直错误地理解了精子如何游动。
使用最先进的3D显微镜技术，来自英国和墨西哥的研究团队能够数学重建精子尾巴在3D中的快速运动。不仅精子的尺寸使其难以研究——其尾巴只有半根头发的宽度——它们也非常快。
它们的尾巴鞭打般的运动能够在不到一秒的时间内完成超过20次游泳动作。我们需要一个能够在一秒内记录超过55,000张图片的超快相机，并安装在一个快速振荡的舞台上，以极高的速度上下移动样品——有效地在精子自由游动时扫描其尾巴的3D图像。
我们发现的结果让我们感到惊讶。我们发现精子尾巴实际上是歪斜的，并且只在一边摆动。
虽然这应该意味着精子的单边划水会使其游动成圆圈，但精子已经找到了一种巧妙的方式来适应并向前游动：它们在游泳时滚动，就像水獭通过水中的螺旋运动一样。通过这种方式，歪斜的单边划水在精子滚动时变得均匀，使其能够向前移动。
精子快速且高度同步的旋转在从上方观察时会产生一种错觉——尾巴似乎有左右运动。
然而，这一发现表明精子已经发展出一种游泳技术来补偿其不对称性。通过这样做，它们还巧妙地解决了一个数学难题：通过创造对称性来消除不对称性。
精子身体在尾巴围绕游泳方向旋转的同时旋转。精子“钻入”流体中，就像一个旋转的陀螺在其倾斜轴围绕中心旋转的同时旋转自身。这在物理学中被称为进动，就像我们星球上的春分进动一样。
目前使用的计算机辅助精液分析（CASA）系统，无论是在诊所还是在研究中，仍然使用精子的2D运动视图。就像列文虎克的第一台显微镜一样，它们在评估精液质量时仍然容易受到对称性错觉的影响。对称性（或缺乏对称性）是一个可能影响生育能力的识别特征。
精子尾巴的科学故事遵循了其他所有研究领域的路径：对精子运动的理解进展高度依赖于显微镜、记录技术的发展，现在还依赖于数学建模和数据分析。
今天开发的3D显微镜技术几乎肯定会改变我们未来分析精液的方式。
这一最新发现，结合了3D显微镜技术和数学的新颖应用，可能为解开人类生殖的秘密提供新的希望。由于一半以上的不孕症是由男性因素引起的，理解人类精子尾巴对于未来的诊断工具至关重要，这些工具可以识别不健康的精子并提高生育能力。