“精子如何游动？如何找到卵子？又如何使卵子受精？”英国邓迪大学糖尿病内分泌学与生殖生物学的临床高级研究员萨拉·马丁斯·达席尔瓦（Sarah Martins da Silva）问道。距离精子被发现已过去近350年，令人意外的是，其中许多问题仍无定论。
借助一些新开发的方法，科学家正追踪精子的迁移过程：从它们在睾丸中形成，一直到使卵子受精。这些研究带来了一系列突破性的新发现，不仅揭示了精子究竟如何游动，还发现它们在游向卵子的过程中发生的出人意料的巨大变化。
马丁斯·达席尔瓦说，精子与地球上其他所有细胞都“非常、非常不同，它们利用能量的方式很不一样，并没有采用细胞通常采取的一套代谢方式和运作机制。”
精子需要执行多种多样的功能，因此会比其他细胞需要更多能量。它们还必须具有适应能力：从射精、沿生殖道前进，再到受精，都需要响应环境信号，适应不断变化的能量需求。
精子究竟是什么？
经过近350年的研究，一个基本问题依然没有得到解答：精子究竟是什么？
“精子的包装十分精巧，”英国诺丁汉大学的生殖与发育生理学副教授亚当·沃特金斯（Adam Watkins）说，“过去，我们通常会把精子看成一个装着DNA、拖着一条尾巴的袋子。但我们开始意识到，它其实是相当复杂的细胞，其中携带着许多其他的遗传信息。”
精子的研究开始于1677年。当时，荷兰微生物学家安东尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek）用自制的500台显微镜中的一台，观察到了所谓的“精液动物”。1683年，他得出结论：与此前的看法不同，微小而完整的人体并不藏在卵子里，而是来自“男性精液中的微小动物”。到1685年时，他已经认定，每个精子里都有一个完整的微型人，甚至拥有“活的灵魂”。
近200年后，瑞士医生兼生物学家约翰内斯·弗里德里希·米舍（Johannes Friedrich Miescher）为了深入研究DNA，开始从精子中获取材料，尤其是鲑鱼精子，其细胞核特别大，是“极好的、令人愉快的细胞核材料来源”。为了防止鲑鱼精子变质，他敞开实验室窗户，在寒冷的环境中工作。1874年，他鉴定出精子细胞的一种基本成分，并命名为“精蛋白”（protamine）。这也是人类第一次认识了构成精子的蛋白质。不过，又过了150年，科学家才鉴定出精子所含有的全部蛋白质。
此后，人类对精子的认识突飞猛进。不过沃特金斯说，仍有许多谜团。他补充道，随着科学家对胚胎早期发育的了解加深，他们开始意识到，精子不只会传递父亲的染色体，还会传递表观遗传信息。这是额外的一层信息，会影响基因如何以及何时发挥作用。“它确实能影响胚胎如何发育，还可能会影响由这些精子孕育的后代一生的发展轨迹，”沃特金斯说。
从青春期开始，精子就会在睾丸内称为生精小管（seminiferous tubule）的管状结构中形成。
“如果观察产生精子的睾丸内部，会发现它起初只是一个圆形细胞，看起来和其他细胞没有差别，”沃特金斯说，“随后，它会发生剧烈变化，形成精子头部和一条尾巴。人体内没有其他细胞会以如此独特的方式，改变自身的结构和形态。”
在男性体内，精子大约需要9周才能成熟。没有排出的精子最终会死亡，并被身体重新吸收。而对于那些幸运的、随射精排出的精子，冒险也由此开始了。
难以抵达的终点
射精后，每个微小的精子都必须摆动尾状的附属结构，和5000万个竞争者一道向卵子游去。你或许看过许多视频，里面的精子会像蝌蚪一样四处游动，但科学家其实才刚开始理解，精子究竟是怎样游动的。
过去，人们认为精子的尾部，也就是鞭毛，会像蝌蚪一样左右摆动。但2023年，英国布里斯托大学的研究人员发现，精子尾巴的运动遵循一种模式形成机制，与数学家、二战密码破译专家艾伦·图灵（Alan Turing）发现的一种机制相同。
1952年，图灵意识到，化学反应可以产生图案。他提出，两种生物化学物质的移动和相互反应，可以解释自然界一些引人入胜的生物图案的形成，包括指纹、羽毛、叶片和沙地中的波纹。这一构想被称为“反应-扩散”理论。布里斯托大学的研究人员利用三维显微成像发现，精子的鞭毛会起伏摆动，产生沿尾部传播的运动波，推动精子前进。这一发现意义重大，因为理解精子如何运动，有助于科学家理解男性的生育能力。
就这样，精子启程了。它们穿过宫颈，进入子宫，并沿着输卵管向上游动，寻找卵子。卵子正是沿这条管道向子宫移动的。但这里又出现了一个知识空白：科学家尚未完全弄清，精子究竟怎样找到了通往卵子的路。
既健康、又能走对路的精子少之又少。许多精子在这座“迷宫”中拐错弯，或者根本到不了终点附近。对于那些成功找到输卵管的精子，科学家认为，卵子释放的化学信号或许能为它们指路。最近的一种理论认为，精子可能利用味觉受体，一路“尝”着寻找卵子。
找到卵子，挑战并没有结束。卵子外面包着三重“铠甲”：由细胞组成的放射冠、由蛋白质构成的胶状缓冲层——透明带，以及最里面的卵细胞质膜。精子必须借助顶体含有的化学物质，逐层突破。顶体是位于精子头部的帽状结构，其中的酶能消化卵子外面的包被。不过，究竟是什么触发这些酶的释放，仍然是个谜。
接下来，精子借助“头部”的尖突，奋力摆动尾巴向前推进，试图进入卵子。最终，如果一个精子接触到卵细胞膜，就会被纳入卵子，进而完成受精。
人体细胞是二倍体，也就是含有两套完整的染色体，分别来自父母双方。如果不止一个精子与卵子融合，就会发生多精受精（polyspermy）。而染色体数目异常的非二倍体细胞，对于即将发育的胚胎是致命的。
为防止这种情况发生，一旦精子与卵子接触，卵子便迅速启动两种机制。首先，卵细胞的质膜迅速会去极化，形成一道其他精子无法穿越的电屏障。不过，这种状态只能维持很短时间，随后便会恢复正常。这时，皮质反应会开始发挥作用：钙的突然释放使透明带硬化，形成一道无法穿透的屏障。
因此，在数以百万计踏上旅程的精子中，最多只有一个能完成使命。这场漫长的旅程最终以精子与卵子的融合达到顶点。如今，研究人员仍在努力研究，哪些细胞表面蛋白可能参与了精卵的识别、结合与融合，它们又发挥什么作用。近年来，研究者已经鉴定出几种对这个过程至关重要的蛋白质，主要来自小鼠和鱼类研究，不过仍有许多参与其中的分子还未可知。因此，精子与卵子如何相互识别、如何融合，目前仍是未解之谜。
巨大的精子
雪城大学的生物学教授斯科特·皮特尼克（Scott Pitnick）说，研究人员希望通过研究其他物种，进一步认识精子。人类的精子十分微小，肉眼完全看不见。但某些果蝇产生的精子，长度可达自身体长的20倍，相当于一个男性产生了像一条40米长的巨蟒那么长的精子。
皮特尼克通过技术改造，让果蝇精子的头部发光。这样，他就能在解剖出的雌性果蝇生殖道中观察精子的移动，揭示受精过程在分子层面的新细节。
“为什么有些物种的雄性只产生少量巨型精子？”皮特尼克问道，“答案原来是，雌性演化出了有利于这类精子移动的生殖道。”但他补充说，这“算不上什么真正的答案”，因为它只是换了个问题：雌性为什么会朝这个方向演化？“我们对此仍然一无所知。”
不过，皮特尼克说，这至少告诉我们，研究精子在雄性体内的状态，只能了解一半的故事。“科学史上存在严重的性别偏见，长期以来，都极其偏向于男性。但事实证明，推动这套系统的是雌性的演化，雄性只是在努力跟上。”
皮特尼克说，精子是地球上最多样、演化最快的细胞类型。精子为什么经历了如此剧烈的演化？这个谜题已经困扰生物学家一个多世纪。
“事实证明，雌性生殖道是一个演化速度惊人的环境，”皮特尼克说，“而对于精子在这个环境会做些什么，我们了解得很少，而那是一个广阔而隐秘的世界。”
皮特尼克提出，果蝇的长尾精子或许可以视为一种修饰物，就像鹿角或孔雀的尾巴一样。
皮特尼克解释说，这是“演化中的一种武器”。鹿角、牛羊角之类的饰物不只是用来抵御捕食者，往往还承担着另一种功能。“许多这样的武器都与性有关，通常用于雄性之间的竞争。果蝇精子的长鞭毛确实符合对性装饰的定义。我们认为，雌性生殖道的某些特征会让具有特定表型的精子比其他精子更容易完成受精。”
皮特尼克说，我们对交配前的性选择已经了解很多。“比如草原上跳舞的草原松鸡，或雨林中炫耀展示的极乐鸟。是动作？是颜色？还是气味？”他解释说，动物处理这些感官信息，进而决定彼此是否交配。
但皮特尼克说，交配后在雌性体内发生的性选择，以及它如何推动精子演化，在很大程度上仍是个谜。“关于性装饰及择偶偏好的遗传基础，我们仍然知之甚少。”
皮特尼克解释说，要全面理解精子，就必须考察它的整个生命周期，以及雌性身体对精子发育的重要影响。“精子在睾丸中完成发育时，还没有真正成熟，它们的发育尚未结束。”他说，精子会与雌性生殖道之间发生复杂而关键的相互作用。“如今，我们正投入大量时间，研究动物界中精子的‘射精后修饰’。”
就在科学家逐步揭开精子为完成受精而经历的种种过程时，另一些研究却让人们对人类精子的现状深感担忧。男性一生会产生近一万亿个精子，因此，很难想象精子也会陷入困境。但研究提示，全球范围内男性的精子数量，也就是精液样本中的精子数，正在急剧下降，而且下降似乎还在加速。
