來自約克大學(xué)、伯明翰、牛津以及京都大學(xué)的研究者基于精子頭部和尾部的周期性律動(dòng)寫出了一個(gè)神奇的數(shù)學(xué)公式，簡(jiǎn)化了研究精子運(yùn)動(dòng)的過程，有助于精子在流體中運(yùn)動(dòng)的研究和理解，也有助于精子到達(dá)卵細(xì)胞過程中的路徑預(yù)測(cè)。

該研究團(tuán)隊(duì)可謂是來自“五湖四?！钡碾u尾酒團(tuán)隊(duì)，他們發(fā)現(xiàn)精子的尾巴能夠創(chuàng)造一種律動(dòng)來推動(dòng)精子向前運(yùn)動(dòng)，也能夠以一種協(xié)調(diào)的方式將精子的頭部向后拽或是向旁邊偏轉(zhuǎn)。

研究的另一部分則是流體運(yùn)動(dòng)分析，因?yàn)槌晒Φ氖芫馕吨幸粋€(gè)精子成功地通過在流體（生物液體）中的運(yùn)動(dòng)到達(dá)卵細(xì)胞，那么精子在流體中的運(yùn)動(dòng)就是十分關(guān)鍵的研究了，當(dāng)然此類研究也比較復(fù)雜。其實(shí)，采用常規(guī)的觀察儀器來理解和研究精子的運(yùn)動(dòng)和相互作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而研究團(tuán)隊(duì)的目的就是采用新發(fā)現(xiàn)的數(shù)學(xué)工具來解釋這一系列問題。

該研究結(jié)果將以論文的形式發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）》上。這不僅在理論上對(duì)流體運(yùn)動(dòng)仿真和多體運(yùn)動(dòng)仿真提供了新思路，也對(duì)男性不育癥的研究提供新的方向。

簡(jiǎn)化問題

研究團(tuán)隊(duì)中赫爾墨斯·蓋德哈（Hermes Gadêlha）博士隸屬于約克大學(xué)數(shù)學(xué)系，他向記者簡(jiǎn)單敘述了研究的過程：

首先，為了在微觀視角觀察精子向前運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，我們采用了復(fù)雜的高精度的顯微技術(shù)來觀察精子的運(yùn)動(dòng)。在觀察完畢后，精子尾部的運(yùn)動(dòng)被研究團(tuán)隊(duì)數(shù)字化并寫入了開發(fā)的計(jì)算機(jī)模型中，用于理解精子尾部運(yùn)動(dòng)所帶動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)。

然后，我們采用數(shù)值計(jì)算仿真來確定精子周圍的流體是怎樣運(yùn)動(dòng)的，不過因?yàn)榱黧w的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，記錄的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過特殊處理后才進(jìn)行仿真的。我們的樣本也十分龐大——我們一共在樣品中發(fā)現(xiàn)了約5500萬個(gè)精子，那么要同時(shí)對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建?？上攵欠浅ｋy的一件事。這也是我們想要寫出一些公式，開發(fā)一些數(shù)學(xué)工具來簡(jiǎn)化研究過程，能讓我們更容易理解和預(yù)測(cè)精子的運(yùn)動(dòng)。研究的結(jié)果也能告訴我們?yōu)槭裁匆恍┚映晒Φ竭_(dá)了目的地，而其他的卻失敗了。

其實(shí)，研究精子運(yùn)動(dòng)和在精子周圍產(chǎn)生的流體運(yùn)動(dòng)還是比較復(fù)雜的：分開來說兩項(xiàng)研究都是微觀層面的研究，仿真和觀察要求的精度較高；另一方面，這兩種運(yùn)動(dòng)還存在相互作用，如何分離研究對(duì)象也是難題。

研究團(tuán)隊(duì)采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)工具“主成分分析（Principal Component Analysis）”，論述分離研究對(duì)象的可能，將研究對(duì)象首先分離成兩部分，之后再采用“邊界元法（Boundary Elements Method）”來研究精子運(yùn)動(dòng)以及精子周圍產(chǎn)生的流體運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，并以此得出了精子運(yùn)動(dòng)時(shí)周圍的流場(chǎng)分布。

協(xié)調(diào)的節(jié)奏

在研究了精子頭部和尾部的運(yùn)動(dòng)后，研究人員發(fā)現(xiàn)精子在流體中移動(dòng)時(shí)還存在一種有著協(xié)調(diào)節(jié)奏的擺動(dòng)，而這恰恰能用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的公式來表達(dá)。研究精子運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體運(yùn)動(dòng)，也可以采用相對(duì)簡(jiǎn)單的電腦仿真程序。

研究結(jié)果表明，精子能夠向多個(gè)方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，例如向前和向后，并以這樣的方式來接近卵細(xì)胞。運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生還要靠精子的尾巴——鞭毛，這常見于一些細(xì)菌的細(xì)胞壁上，一般與運(yùn)動(dòng)有關(guān)。而精子的鞭毛有著一種十分獨(dú)特的周期性運(yùn)動(dòng)方式——帶動(dòng)精子頭部向后或向旁邊擺動(dòng)，能在精子周圍產(chǎn)生一種忽動(dòng)忽停的流場(chǎng)。精子在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，也是借助這樣的流場(chǎng)來減少因?yàn)樾〕叽缍鴰淼哪Σ亮Α?/span>

對(duì)于精子在流體中的移動(dòng)，蓋德哈博士說：“的確，科學(xué)家認(rèn)為一個(gè)精子到達(dá)卵細(xì)胞就像發(fā)生了奇跡一樣，但是我們不得不贊嘆人的身體是十分精密的一套系統(tǒng)，它能保證精子和卵細(xì)胞就一定能碰到一起。精子看似無規(guī)律的擺動(dòng)感覺應(yīng)該會(huì)對(duì)周圍的流體也產(chǎn)生毫無規(guī)律的影響，并且對(duì)精子在流體中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)形成阻礙。但是，結(jié)果并非如此，精子周圍的流體以一種近乎完美的方式在運(yùn)動(dòng)，甚至還能幫助精子的運(yùn)動(dòng)?！?/span>

“這也意味著，精子的無規(guī)則擺動(dòng)實(shí)際上是與流體運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)的，形成的流場(chǎng)和磁極形成的磁場(chǎng)很像。所以，即使流體的粘滯力理論上會(huì)對(duì)精子的移動(dòng)產(chǎn)生影響，不過冥冥中注定，只有那些選定了的精子能夠與周圍的流體相協(xié)調(diào)，飛速向前游動(dòng)?！?/span>

其實(shí)，研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能夠利用數(shù)學(xué)公式來預(yù)測(cè)單個(gè)精子的運(yùn)動(dòng)了，下一步的研究計(jì)劃就是將此模型推廣到更大數(shù)量的精子運(yùn)動(dòng)研究中。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這樣的研究也將有利于開發(fā)新的治療不孕不育療法。

參考文獻(xiàn)：

K Ishimoto，H Gadelha，E Gaffney，D Smith，J Kirkmanbrown. Coarse-graining the fluid flow around a humansperm [J]. Physical Review Letters. Accepted Paper, 2017.02