在人类男女繁殖后代的过程中,一场微观世界的竞争悄然展开,就在男性射精的瞬间,几千万乃至数亿个精子开始为争夺同一枚卵子而冲刺,比赛的激烈程度就像是充满挑战性的军事障碍赛。

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精子与卵子的模式图

人们普遍认为,精子在生殖过程中占据着主动地位,只有游动能力强、生命力持久的精子掌握着优胜权。但科学研究发现,最终能如愿以偿的精子不仅要有强壮的体质,还要有足够好的“运气”,卵子在关键时刻还能为某些精子“开后门”。

精子的竞争在自然界普遍存在

在自然界中,很多动物的雌性个体会和多个雄性交配,不同的雄性为达成让卵子受精的目标,采用了不同的生殖策略,比如:通过求偶获取交配权、延长交配时间、提高射精量等等。

处于繁殖期的家猫

在性选择的作用下,雄性的生殖器官也出现了分化,形态结构多种多样:部分啮齿类、灵长类、鳍足类动物进化出了“丁丁骨”的游离性骨质结构,猫科动物的生殖器末端长有倒刺,鸭类的生殖器呈现为高度的螺旋状,藤壶的生殖器则达到了自身体长的8倍,这都是雄性动物为提高受精率而产生的适应性变化。

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獾的杆状阴茎骨

性选择与性竞争现象在动物界普遍存在,精子的竞争也是如此。即便在一夫一妻制的人类社会中,来自同一男性的精子也不可避免地会陷入“内卷”,主要原因就在于精子的数量多而卵子的数量少。研究发现,精卵的数量差距可达10个数量级,精子的数量是卵子的数十亿倍,这和男女生理构造的差异有关。

人类女性从青春期开始,到停止排卵结束,一生中会保留约40万个初级卵母细胞,但绝大部分在完成第一次减数分裂后便发育停滞,进入“休眠”状态。直到受到性激素的刺激,卵母细胞才会苏醒并发育为成熟的卵子,卵子的总数最终稳定在400个左右,一般一个月排卵一次。因此,卵子的数量十分稀缺,但同是生殖细胞,“稀缺”一词却很少用来形容精子的数量。

卵细胞

据估计,人类男性一生中产生的精子总量超过2万亿个,平均一次排出的精子就多达2.5亿个,少的也有几千万个,排精量一般为2~6mL。有研究表明,一旦男性射出精子的数量少于1亿个,女性的怀孕率就会下降,这说明只有足够多的精子数量才能保证受精率,从侧面也能反映出精子竞争中的惊人淘汰率

显微视野下的精子形态和密集数量

在女性生殖道内,没能融入卵子的精子都去哪了?

精子遇到卵子前需要先经过阴道-宫颈口-宫颈腔-子宫腔-输卵管,着床在输卵管壶腹内壁上的卵子等候优胜者出现。中间每个过程都是一场残酷的淘汰赛,被淘汰的精子在各阶段的去向也不一样。

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女性生殖系统的结构

第一阶段是在射精初期,大部分精子可能因“返流”现象而被排除在外,失去参赛资格

根据1993年的一项报告,科学家对精子在生殖道中流失的特征进行了长达5年的研究,结果显示:在两性亲密活动结束后的5~120分钟内,有94%的行为都出现了“返流”现象在其中12%的亲密活动中,几乎有100%的精子全部流失。科学家推断,可能只有不到1%的的精子能安全留在女性的生殖道内,成为有资质的初级参赛选手。

相关研究截图

第二阶段是在穿越阴道抵达宫颈口期间,环境严苛,赛程较长,淘汰率也很高。首先,阴道的酸碱性对精子并不友好,体液的pH值约为4~5,为弱酸环境,而精液的pH值则为7.2~7.8,精子在酸性状态下的寿命将大幅缩减。因此,阴道的环境对精子的耐酸性提出了挑战,伤残畸形、年老体弱的精子会率先失去活性,淘汰出局。


精子的游动模式

其次,女性生殖道的内壁褶皱对精子起到了阻拦作用,通道中还设置有“瓶颈结构”:子宫颈管向内骤然收缩,变成狭长的过精通道,宫颈入口的位置不好判断。如果精子迷失了前进方向,误入了阴道穹隆等“死胡同”,结局注定会与冠军位置失之交臂。

第三个阶段就是穿过宫颈管和子宫腔,粘液和免疫细胞将成为最大的“拦路虎”。子宫颈的内部有丰富的宫颈粘液,特别是在女性排卵前后,宫颈粘液的分泌量增加,质地稀薄、滑溜,这些水性粘液对无法正常游动或游动能力差的精子构成生理障碍,是筛选优质精子的重要屏障。

此外,女性的免疫系统将所有精子都视为外来入侵者,白细胞会像攻击细菌一样捕获精子。当监测到外来异物时,女性生殖道的白细胞(尤其是中性粒细胞和巨噬细胞)产生反应,免疫细胞迅速迁移到子宫颈和粘液中,对精子各种围追堵截。一并清除的还有精液中的微生物,有利于筛选出真正健康的精子。

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第四个阶段是选择正确的输卵管,完成最后的赛程。女性有两个卵巢、两条输卵管,但每次排卵时只会在一侧的输卵管中排出一枚卵子,此时就是拼运气的时候,精子需要二选一,一旦选错就意味着前功尽弃。在多种筛选机制下,平均在2.5亿个精子中大约只有几百个能到达受精部位(科学家给出的最佳估计值是250个),99%以上都扮演着牺牲品的角色。

简单总结就是,被淘汰精子的去向大致有四种:1,因“返流”现象提前出局;2,在酸性环境中失活;3,滞留在宫颈粘液中或被白细胞吞噬;4,路径选择错误,被机体吸收或排到体外。

科学家发现,卵子会给幸运的精子“开后门”

精子与卵子相遇并结合的过程,不仅仅是实力的比拼,最健壮的精子不一定能抱得美人归。一项新的科学研究发现,女性的卵子并不是在被动中完成受精,在受孕的最后时刻,卵子还会主动选择幸运的精子。

根据2020年6月发表在《皇家学会学报》上的研究,科学家发现在精子与卵子相遇的最后2cm内,卵子能通过释放化学引诱剂选择特定的精子,也就是说,卵子会给偏爱的精子“开后门”,使其获胜的几率更高。原本靠实力才能争取的结局,现在似乎成了被“提前内定”的追逐游戏!

实验设计概述,用于评估不同女性对卵泡液中精子的积累反应变化

科学家在研究中还发现,卵子着床位置的卵泡液中存在多种化学引诱剂,精子的头部含有配对的气味受体,能够感知引诱剂的强度信号。在卵泡区域内,不同精子接收的信号强度存在差异,做出的反应也有所不同。其中,受到卵子“青睐”的精子会获得更强的信号诱导,与之对应的是游动姿态的变化,游动速度、强度的提高,进而助力被选中的精子进入“绿色通道”。

总结

精子竞争的过程让人感到既好笑又心疼,真正被眷顾的成功者往往是“亿万中挑一”,其余选手难逃“陪跑”的命运。当然,每个生命的诞生都是运气与实力的结合,这也揭示了大自然造物的神奇魅力。