科學家根據精子的運動規律，寫出一個神奇的數學公式

來自約克大學、伯明翰、牛津以及京都大學的研究者基於精子頭部和尾部的周期性律動寫出了一個神奇的數學公式，簡化了研究精子運動的過程，有助於精子在流體中運動的研究和理解，也有助於精子到達卵細胞過程中的路徑預測。

該研究團隊可謂是來自「五湖四海」的雞尾酒團隊，他們發現精子的尾巴能夠創造一種律動來推動精子向前運動，也能夠以一種協調的方式將精子的頭部向後拽或是向旁邊偏轉。

研究的另一部分則是流體運動分析，因為成功的受精意味著有一個精子成功地通過在流體（生物液體）中的運動到達卵細胞，那麼精子在流體中的運動就是十分關鍵的研究了，當然此類研究也比較複雜。其實，採用常規的觀察儀器來理解和研究精子的運動和相互作用是遠遠不夠的，而研究團隊的目的就是採用新發現的數學工具來解釋這一系列問題。

該研究結果將以論文的形式發表在著名學術期刊《物理評論快報（Physical Review Letters）》上。這不僅在理論上對流體運動模擬和多體運動模擬提供了新思路，也對男性不育症的研究提供新的方向。

簡化問題

研究團隊中赫爾墨斯·蓋德哈（Hermes Gadêlha）博士隸屬於約克大學數學系，他向記者簡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動的機制，我們採用了複雜的高精度的顯微技術來觀察精子的運動。在觀察完畢後，精子尾部的運動被研究團隊數字化並寫入了開發的計算機模型中，用於理解精子尾部運動所帶動的流體運動。

然後，我們採用數值計算模擬來確定精子周圍的流體是怎樣運動的，不過因為流體的結構比較複雜，記錄的數據都是經過特殊處理後才進行模擬的。我們的樣本也十分龐大——我們一共在樣品中發現了約5500萬個精子，那麼要同時對它們的運動進行建模可想而知是非常難的一件事。這也是我們想要寫出一些公式，開發一些數學工具來簡化研究過程，能讓我們更容易理解和預測精子的運動。研究的結果也能告訴我們為什麼一些精子成功到達了目的地，而其他的卻失敗了。

其實，研究精子運動和在精子周圍產生的流體運動還是比較複雜的：分開來說兩項研究都是微觀層面的研究，模擬和觀察要求的精度較高；另一方面，這兩種運動還存在相互作用，如何分離研究對象也是難題。

研究團隊採用了統計學工具「主成分分析（Principal Component Analysis）」，論述分離研究對象的可能，將研究對象首先分離成兩部分，之後再採用「邊界元法（Boundary Elements Method）」來研究精子運動以及精子周圍產生的流體運動之間的關係，並以此得出了精子運動時周圍的流場分布。

協調的節奏

在研究了精子頭部和尾部的運動後，研究人員發現精子在流體中移動時還存在一種有著協調節奏的擺動，而這恰恰能用一種相對簡單的公式來表達。研究精子運動時的流體運動，也可以採用相對簡單的電腦模擬程序。

研究結果表明，精子能夠向多個方向進行往複運動，例如向前和向後，並以這樣的方式來接近卵細胞。運動的產生還要靠精子的尾巴——鞭毛，這常見於一些細菌的細胞壁上，一般與運動有關。而精子的鞭毛有著一種十分獨特的周期性運動方式——帶動精子頭部向後或向旁邊擺動，能在精子周圍產生一種忽動忽停的流場。精子在流體中運動時，也是藉助這樣的流場來減少因為小尺寸而帶來的摩擦力。

對於精子在流體中的移動，蓋德哈博士說：「的確，科學家認為一個精子到達卵細胞就像發生了奇蹟一樣，但是我們不得不讚歎人的身體是十分精密的一套系統，它能保證精子和卵細胞就一定能碰到一起。精子看似無規律的擺動感覺應該會對周圍的流體也產生毫無規律的影響，並且對精子在流體中的運動也會形成阻礙。但是，結果並非如此，精子周圍的流體以一種近乎完美的方式在運動，甚至還能幫助精子的運動。「

「這也意味著，精子的無規則擺動實際上是與流體運動相協調的，形成的流場和磁極形成的磁場很像。所以，即使流體的粘滯力理論上會對精子的移動產生影響，不過冥冥中註定，只有那些選定了的精子能夠與周圍的流體相協調，飛速向前遊動。」

其實，研究團隊現在能夠利用數學公式來預測單個精子的運動了，下一步的研究計劃就是將此模型推廣到更大數量的精子運動研究中。研究團隊認為這樣的研究也將有利於開發新的治療不孕不育療法。

編輯：楊一鳴

參考文獻：

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

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