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精子界也有所謂的過動兒?射精前後的精子有何差異?——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/08/13 ・2749字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

文/何翰蓁|慈濟大學醫學系解剖學科副教授。熱愛形態學,以研究精子細胞內各胞器變化開啟研究生涯,目前觀察對象小至細菌,大至人體。著有《我的十堂大體解剖課》。

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1970 年, 柳町隆造(Ryuzo yanagimachi) 在交配後母倉鼠(hamster) 的輸卵管中, 發現精子表現出一種極度激烈活潑的游泳方式,一種具有大振幅、不對稱的鞭毛擺動的運動方式,並將之命名為超活化運動(hyperactivated motility),此發現就此開啟了近半世紀相關領域的研究。

精子的「超活化運動」

為什麼會命名為超活化運動呢?原來睪丸製造的精子,雖然具有典型的蝌蚪狀形態,但此時精子並不具有游動的能力,即便是儲存在副睪中逐漸成熟的精子,大部分也不具有游動能力,直到經由射精進入雌性生殖管道或被置於適當的培養液中,精子才會像開關被啟動一樣,表現出所謂的活化運動(activated motility):一種小振幅且對稱的鞭毛擺動,造成精子以直線軌跡前進。

精子游動方式
活化運動(左)與超活化運動(右)精子在低黏性環境中的移動模式。圖/Calcium Channels in the Development, Maturation, and Function of Spermatozoa

剛開始,表現超活化運動的精子並不被看好,因為夾在載玻片與蓋玻片中的精子,那不對稱的鞭毛擺動讓他們只在原地打轉,看起來那裡都去不了,不似表現出活化運動的精子,像是有目標的前進。然而,逐漸累積的研究結果顯示,雌性生殖管道和玻片中的環境完全不同,在充滿黏液、阻力較大的輸卵管中,表現活化運動的精子會被黏液困住,反而是表現出超活化運動的精子,藉由大振幅不對稱的鞭毛擺動,反而能在黏稠的環境中有效向卵子方向移動,且這種運動方式有助於精子穿過卵子外圍的卵丘細胞(cumulus cells)及透明帶(zona pellucida)等,均暗示其具有使卵子受精的優勢。

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超活化運動的精子能有效在黏性較大的輸卵管中移動,並且有效穿過卵子外圍的卵丘細胞與透明帶。圖/Calcium Channels in the Development, Maturation, and Function of Spermatozoa

於是,不論是為了提高受孕率,或是開發新的避孕藥,投入精子運動模式調控相關研究的人越來越多。不同實驗室採用不同的實驗動物,發現多種哺乳動物的精子都會在受精前表現出這類特別的運動方式,也了解該運動是受到鈣離子的調控。

由於小白鼠是模式生物,且已有多種基因剔除小鼠出現精子運動缺陷或雄性不孕等現象,因此越來越多研究採用小白鼠精子來探討運動調控機制。因為小白鼠較小,不容易像豬或牛等大動物,可以利用人工陰道採集射精後的精子(ejaculated sperm)進行實驗;且早期以電刺激方式使小白鼠射精而採集到的精子,品質不佳、死亡率高,因此絕大部分的實驗是將公鼠的副睪取出,放在精子的培養液中,在副睪上以無菌針頭刺幾個洞,收集由副睪中游出的精子來進行實驗。如此採集到的小白鼠精子稱為副睪精子(epididymal sperm),因為接觸到培養液,這些副睪精子會表現出活化運動方式,但與射精後的精子相比,則少了與攝護腺、儲精囊分泌物接觸的機會。

我們已經知道精液中的果糖是精子重要的能量來源,其中許多蛋白質也具有促進精子成熟或調控精子活性的功能,如儲精囊的分泌物 SVS2 會抑制副睪精子在體外 (in vitro) 進行獲能反應(capacitation)。所謂獲能反應指的是精子進入雌性生殖管道後,細胞膜上脂質及蛋白質等改變,最終使精子具有進行頂體反應(acrosome reaction)的能力。精子必須進行頂體反應才能通過透明帶並與卵結合,因此,無法順利完成獲能反應的精子通常也無法使卵受精。不過,太早進行獲能反應的精子卻也有早衰、提早喪失游動能力等狀況,因此獲能反應受到精密的調控。

射精前後的精子有所差異?

研究人員藉由基因剔除小鼠的研究,找到了多個參與精子運動調控的重要分子。然而,藉由副睪精子進行的研究, 是否適合直接用以解釋正常生理狀況下,射精後精子的狀況?它們之間有沒有差異?

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2015 年,蘇亞雷斯(Susan S. Suarez)實驗室發表在 PLoS ONE 期刊的研究報告解答了我們的疑惑。研究人員犧牲剛交配的母鼠,打開子宮收集射精後的精子進行實驗, 採集過程在交配後 30 分鐘內完成。而交配過的公鼠則在 2~7 天之後犧牲,採集副睪精子,如此便可比較同一公鼠副睪精子與射精後精子的活性差別。

研究人員有什麼發現呢?首先,他們觀察到射精後的精子較容易黏在玻片上 (射精後:74.8%;副睪精子:6.9%), 若在促進獲能反應的培養液中培養 2 小時後,射精後的精子黏在玻片上的比例則降至 40.9%,且大部分不再黏附在玻片上的精子,表現出超活化的運動方式。研究人員認為射精後的精子與副睪精子在黏附玻片上不同的表現,顯示他們細胞膜表面特性或電荷在有無接觸精液分泌物下有顯著差別。

利用電腦輔助程式分析精子各項運動參數後,發現射精後的精子活動性、游動速度及多項運動參數均優於副睪精子。更有趣的發現是,兩種精子在促進獲能反應的培養液中培養 2 小時後,均表現出超活化運動,但是形式卻不盡相同: 射精後精子超過 90% 表現出順鈎式(pro-hook)超活化運動,副睪精子卻有 50% 呈順鈎式、50% 呈現反鈎式(anti-hook)超活化運動模式。早期利用副睪精子為實驗材料時,蘇亞雷斯實驗室即提出小白鼠精子超活化運動可分為順鈎式及反鈎式兩種模式。小白鼠精子頭部呈鐮刀狀,他們發現副睪精子表現超活化運動時,有些精子鞭毛的大振幅擺動彎曲弧度與頭部鐮刀鈎同向,稱為順鈎式; 相反的則稱為反鈎式,當時的研究也清楚說明:兩種不同超活化運動模式具有不同的鈣離子調控機制。

超活化精子
左為典型的順鈎式超活化精子;右為反鈎式超活化精子。圖/《科學月刊》提供

研究人員接著利用螢光染劑,讓兩種不同的精子分別帶著綠色或紅色螢光。混合後的兩種精子再放到卵丘– 卵複合體(cumulus-oocyte complex)周圍,觀察精子與卵及卵丘細胞間之互動。螢光染劑讓研究人員可以清楚區別副睪精子和射精後的精子,不過為了避免染劑本身的影響, 重覆的幾次實驗會交換螢光與精子的配對使用。實驗結果發現射精後的精子比副睪精子更容易進到卵丘– 卵複合體中,顯示可能有更高的受孕率。

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這篇研究以簡單卻清楚的實驗分析了副睪精子與射精後精子的多項差異。實驗結果本身除了提醒我們不要忽略精液中分泌物的重要性外,也不禁讓人重新思考:有時受限於實驗材料的取得,或為了有效控制變因、方便釐清各個重要的因素分別扮演什麼角色時,難免簡化了複雜的生理現象。然而,當結果要套用到複雜的生物個體上時,我們需要更小心,收集更多的資料,以勾勒出更接近真實的面貌。


科學月刊

 

 

本文選自《科學月刊》2016年7月號

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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3286字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

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如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

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PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

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陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

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施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

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雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

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PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

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當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

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用精蟲王選拔打開繁殖科學大門—蔡沛學的生命探索
顯微觀點_96
・2025/08/14 ・3763字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自顯微觀點

「我覺得那個震撼度沒有實際親眼看到(精子)這麼震撼;而且就算實際親眼看到的震撼度,也絕對沒有比看到你旁邊那個同學的精子長什麼樣子還要震撼!」

台大獸醫系有一門大四必修-獸醫繁殖障礙及產科,課堂舉辦的「精蟲王選拔」堪稱該系的年度盛事,授課的老師便是台大副學務長蔡沛學教授。

蔡沛學的研究專長為繁殖生理。他提到自己從念獸醫、從臨床轉向研究,再到回台教書一切都是「偶然」。

當初大學會選填獸醫系,完全是因為「成績到了」,加上從小家裡一直有養狗貓,於是「不討厭就念了」。有別於大多數獸醫系同學選擇臨床,蔡沛學走向研究,他則笑說是源於大學「交了女友要打工賺錢」而到狗舍當起工讀生。

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每當打掃完狗舍回到實驗室,就會看到許多研究所學長姐正在做實驗,蔡沛學受到好奇心驅使開始了解學長姐在做的研究。這些研究讓他感到新奇有趣,加上考量未來若走臨床,生活彈性大幅壓縮,因此畢業後便留學踏上研究之路。

雖然流行病學並非真愛,但蔡沛學心知肚明碩士只是研究路上的過渡期,便在考量語言、經濟等各項因素後,赴荷蘭烏特列支大學(Utrecht University)攻讀流行病與經濟學。但他也仍然結合最愛的繁殖生理,運用流行病學的角度,以大規模數據分析不同類型的轉殖基因造成的繁殖生理問題。

面對人生低潮 參加會議刺激想法

一路從碩士到博士,在荷蘭歷經將近十年寒暑,蔡沛學仍抱著一絲「美國夢」,於是申請到美國的麻州大學醫學院進行博士後研究,卻也迎來人生第一個低潮。

蔡沛學解釋,當時待的實驗室在繁殖領域非常厲害、學術產出也非常多,但美國生活緊湊,和講求生活與工作平衡的荷蘭截然不同;加上實驗室過於偏向分生領域,蔡沛學很快就失去研究動力。

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另一方面,當時他和太太、小孩住在波士頓,和麻州大學雖然都在麻薩諸塞州但通勤時間長,往往出門孩子還沒醒、回到家孩子也正要睡。「當時覺得說我為什麼要來這邊尋找我的『American dream』,待在荷蘭好好的我幹嘛呢?」和家人相處時間短並非蔡沛學想要的生活,於是他過沒多久就辭去這份工作,轉往哈佛大學醫學院繼續博士後研究。

這個實驗室主要是系統生物學(system biology)的研究團隊,也是核心的影像中心。蔡沛學形容,一進去就有六台且不同類型的共軛焦顯微鏡,應有盡有。「只要能夠讓我照影像、看到亮亮的螢光,我都可以」,雖然蔡沛學加入的是腎臟研究團隊,並非獸醫、繁殖領域,但基於對影像的熱愛,加上離家近,他工作得非常愉快。

雖然在哈佛從事博士後研究做很多蔡沛學喜歡做的事,日子過得還算愉快,但太太這時跟他說了一句話:「It’s time to find a real job(該找個正式的工作了)」,而且正巧台灣大學獸醫系有個職缺,成了他回台教書的契機。

但回國後蔡沛學反而迎來第二次人生低潮。

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由於覺得在哈佛做的研究很有趣,蔡沛學回國後很直覺地想要延續部分想法,再改良成實驗室新的題目。但當他知會前老闆時卻被斷然拒絕。

「他很明確地跟我說,你有這些研究想法(thoughts)也是因為你在哈佛而發展(develop)出來的,所以這些想法是屬於哈佛的,你不能用。」蔡沛學表示,除了研究方向還沒確定,回到台灣擔任教職,也從原本只需專心做研究變成需要兼顧教學,過程非常難熬因而陷入低潮。

面對低潮,蔡沛學建議可多參加不同類型的會議或是研討會。

「也許你覺得沒有太大的意義,但是(研討會)會讓你遇到很多人、跟很多人聊天,我覺得很多idea(想法)就從那邊出來」,蔡沛學提到印象深刻的是剛回國時參加台大光電所教授孫啟光辦的影像攝影展。當時雖然並未參賽,但抱著「看一下人家在幹嘛」的心態去參加,會中和很多人聊天都會成為日後研究的養分。

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「就算是不是你做的領域,去聽、去看都會發現『原來還可以這樣看細胞啊』、『原來影像不是只有 Confocal(共軛焦),還有 Lightsheet(層光),還有 spinning(spinning disk confocal,轉盤式共軛焦)啊』,那對我們來講都是大開眼界」。蔡沛學說,聊天過程中慢慢發現大家不同的領域專長,其實可以在自己原有的興趣基礎往上疊加,不需要拘泥於過去所做的研究。

而他現在實驗室的研究領域廣泛,包括繁殖生理、细胞膜蛋白與囊泡傳輸機制、抗氧化/自由基機制、瀕危物種、野生動物保育等,只要和繁殖障礙以及影像這些他喜歡的興趣有關,都有所涉獵。

歡樂氣氛帶領學生辨別精蟲好壞

精子的頭部像牛舌餅一樣的圓形厚片,並以螺旋、弧線方式向前游動。

除了研究,大學教職另一個重要任務便是教學。蔡沛學教授的「獸醫繁殖障礙及產科」是大四的必修,也是阻擋學生可以順利進入大五實習的最後一門課。第一年,蔡沛學只是按部就班地了解不同動物的精子樣態及如何評估精子優劣,光上完課就「阿彌陀佛」了。但到了第二、第三年,他開始思考什麼樣的上課方式學生比較容易吸收,加上自己喜歡「把事情搞大」的個性,於是有了「精蟲王選拔」的教學構想。

過去上課雖然用了非常多圖片、影片讓同學「看到」精子的樣態,但就算如此,蔡沛學認為這些都不會比親眼在顯微鏡下觀察、甚至是觀察周遭同學的精子來得更有印象。因此他徵求志願的同學捐精(女生也可以拿男生朋友的精子)並給予加分,學生則在課堂上可以觀察這些混雜在一起,裝著動物和各志願者的不同試管。

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「上課就會出現此起彼落的驚嘆聲,『你看 3 號兩個頭』、『2 號幾乎不會動』,整堂課就非常歡樂。」蔡沛學笑說,過程中只有老師知道試管編號對應的身分以及當事者知道自己的編號,因此當學生知道精子主人在身邊卻不知是誰的時候,氣氛更加熱絡。而他認為這才是上課應該要有的氣氛,學生也在歡樂的氛圍之中了解何謂好的精子品質。

精子品質的評估首先得先認得不同動物的精子型態。以精子頭部為例,狗和牛與人一樣,都是橢圓形、禽類的像根棍子;而齧齒類的呈現鐮刀狀,在顯微鏡下就必須辨別和紅血球的差異。

評估也包含多種面向,如濃度、運動方式、活力等,而要觀察這些不同面向,就必須使用不同的顯微鏡觀察法。

蔡沛學解釋,在顯微鏡下看到精子游動,可能只有 60% 至 70%「真的在動」,因為也許精子本身已經死亡但受到介質擾動而出現流動的樣子。

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精子游動也不像我們一般想像,以平面左右擺動方式直線前進,而是以螺旋、弧線向前游動;且當要與卵子結合時,弧線的弧度降低、直線性增加。因此可藉由可以呈現立體影像的顯微鏡或是使用輔助軟體進行路線追蹤。

另外,精子的頭部其實是像牛舌餅一樣的圓形厚片,因此在游動時有時看起來是粗的、有時看到卻是細細的一條線,這時就必須使用如 DIC(微分干涉相差顯微鏡)才能看清楚頭部的樣子。又或是使用原子力顯微鏡分析精子表面的變化,才能針對精子品質進行繁殖障礙的精密評估。

當PI支持學生瘋狂想法

現在,蔡沛學的實驗室已經扎穩根基,目前主要研究方向為自由基對繁殖的影響,除了研究機制,也針對自由基傷害的不孕症研究治療方法。另外實驗室也和農場、動物園合作,研究如何增進動物繁殖能力或是如何有效保存動物精液。

雖然有多項研究計畫正在進行,蔡沛學還接任台灣大學副學務長一職,更將擔任本屆(2025)Taiwan顯微攝影競賽的評審。面對這些繁忙的公事,蔡沛學笑說:「少睡幾個小時就行啦!」

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他也表示,直到去年自己都還親自進實驗室做實驗,但現在確實已分身乏術。不過蔡沛學覺得最主要還是要把實驗室當作家庭一樣經營,當實驗室負責人(PI, Principal Investigator)最重要的就是能夠支持學生瘋狂的想法且不能藏私,「只要和學生、助理關係很好,事情就會很好」。

而對於即將擔任顯微攝影競賽評審,蔡沛學認為,或許有很多參賽者會為了追求影像好看而刻意「擺拍」進行後製,但他更期待看到研究中無意間發現的奇特影像,例如他就看過美國得的朋友曾在臉書上發布一張無意間觀察到精子圍繞成1顆愛心的圖像。

「那個 motivation(動機)比較強,而不是為了去競爭某個獎而拍出來的」,蔡沛學如此說道。

📋採訪後記

蔡沛學老師的實驗室和研究室充滿生氣,也可以感受到他與學生、家人間的感情緊密。

除了櫃子裡擺放陪兒子追星而愛上的韓團偶像,當天蔡沛學還帶了最近剛認養的小貓坐鎮辦公室。

而實驗室門後畫著一家人的圖案。蔡沛學解釋,因為位於隔壁的研究室門後畫著的是某一繪本中「精子向前衝」的圖案,於是學生們便畫上這幅圖案,象徵精子突破重重難關,終於誕下新生兒。

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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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精子從哪裡進入卵子會影響胚胎發育?——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/20 ・2697字 ・閱讀時間約 5 分鐘

當我第一次驚喜瞥見打破對稱性的可能起源時,我驚訝地發現到這段歷程似乎很早就開始了,而這也為我運用綠色螢光蛋白追蹤細胞分化的研究鋪起了大道。卡羅琳娜與我想要進一步探索這個研究發現,所以我們提出了一個有關其終極源頭的簡單問題:精子進入卵子的位置是否對於胚胎一開始失去對稱性有任何影響?在線蟲與青蛙這類動物的胚胎中確實是這樣,但在哺乳動物(例如小鼠)的胚胎中也一樣嗎?

對稱藝術

當我們將生命的起源以動畫演繹出時,常常看到的影像就是精子設法進入沒有任何特徵的圓形卵子上,並融入其中。若情況是這樣的話,就很難看出精子進入卵子的位置是要如何對未來一切發育有所影響。在這個理想化的卵子上,任一處表面都與其他表面沒有任何差異。不過,當然還是存在有個參考指標,那個等同於「這邊是上面」的指標就是:極體。

圖/pexels

極體是從減數分裂的不對稱過程中所產生,細胞「骨架」在這個過程中會聚集以協助細胞進行分裂。這個細胞骨架稱為紡錘體,它會從細胞中心點往細胞邊緣移動,產生出一個大大的卵子與一個小小的極體。我們可以合理認為,紡錘體與染色體的移動可能打破了卵子的對稱性,也造成了擠壓極體的發育。許多人的確注意到極體最終總是會落在受精卵進行分裂的那個平面上。

理查.加德納這位我們之前見過的科學家,發現極體會附著在卵子上,它不只會確立受精卵首次分裂成兩個細胞的那個平面,它還會在幾天後確立出囊胚的對稱軸。這項發現讓我們有所啟發。這真的是因為卵子中的軸向資訊會一直持續到囊胚階段,還是有其他的因素會影響胚胎發育的對稱性?在我們進行科學研究的過程中,我與卡羅琳娜在當下這個時間點想要知道的是,精子進入卵子的位置是否也會影響胚胎發育,並提供第二個定位線索。

卵子上的座標——精子進入的位置會影響胚胎發育嗎?

就像在地表上某個地點跟北極的相對位置,可以定義所謂的經線,我與卡羅琳娜想要知道,精子進入卵子的位置是否也可以提供相對於極體位置的另一位置資訊。若真的是這樣,我們就能更精準確立進行首次分裂的那個平面。這感覺起來很合理,因為極體的形成與精子的進入位置都會重新排列之後會運用在卵子分裂上的細胞骨架。若不是這樣,分裂的那個平面與精子的進入位置之間就只有隨機的關係。

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以現代科技來說,我們很容易就可以解決這個問題。我們可以將這個過程拍成影片,來看看從精子進入卵子後到後續細胞進行分裂的幾天之間究竟發生了什麼事。但在我們開始研究的那個年代,不存在這樣的選項。我們無法拍攝小鼠胚胎從受精開始進入發育的影片,要等到幾天後胚胎進入囊胚階段才行。我們只能想辦法去標記精子進入的位置,以便可以追蹤它與受精卵在數小時後首次分裂的那個平面之間的關係。

圖/pexels

我一開始想著要用某種自然一點的東西,像是胚胎幹細胞這種非常微小的細胞,在卵子受精後馬上附著在精子進入點上,因為那時還可以看到進入點,但最後我有了更簡單的辦法:我們改用肉眼看不見的微小螢光珠。我們成功了,但我很後悔沒有給這些珠子取個像「微球體」這樣酷炫的科學名稱。當然,同領域人士不認同的不僅僅只是這些珠子要怎麼命名,但「珠子」這個名稱有種簡樸感,所以批評者會用這個名稱來貶低我們的研究,這就是我們得要付出的代價。

一開始很容易就能看到精子是從哪裡進入卵子的。它會留下一個名為受精錐(fertilization cone)的小小凸起。受精錐是由卵子的細胞骨架所建構,並由肌動蛋白的纖維所組成,它大約會凸起半個小時。這時間剛好足夠嵌入一至兩個珠子來標記位置。

我們將這些珠子浸到名為植物血凝素(phytohemagglutinin)的蛋白質混合物中,珠子就會具有黏性。植物血凝素常用於讓細胞聚集在一起。因為人的手不夠穩定,所以卡羅琳娜會以一隻機械手臂來拿取具有黏性的珠子,並將珠子放到卵子的表面上,同時還會以另一隻機械手臂牢牢固定住剛受精的卵子。

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圖/pexels

雖然珠子很小,直徑只有 0.0001 至 0.0002 公分,但在紫外線的照射下看起來大多了,亮綠色的點讓我們很容易就可以追蹤它的命運。觀察受精卵的發育時,我們發現珠子最終會來到細胞首次分裂所產生的兩個細胞之間的邊緣,或者是非常接近這個地方。

受精卵的分裂平面真的是由精子決定的嗎?

我們一直都在挑戰我們的思考與發現。上述情況有可能是任何落在卵子表面的珠子都會掉進分裂溝(cleavage furrow)中。所以為了確認,我們進行了一項對照實驗,卡羅琳娜將另一顆類似的珠子隨機放在卵子表面的其他地方。令我們欣慰的是,這顆珠子最終沒有掉進細胞分裂時所產生的分裂溝中。對我們而言,這表示精子進入卵子的位置以某種方式「被記住」了,並且成為受精卵偏好進行分裂的地點。換句話說,若我們是對的,受精卵之所以會在這個平面進行分裂,是因為偏好(biased)而非隨機(randomly)。

我們持續獲得了各種新發現。在胚胎從兩個細胞發育成四個細胞的階段中,帶有精子進入標記的那個細胞,會傾向於先進行分裂。這個細胞的命運之所以會改變,是因為精子帶入的物質滋養了它嗎?受精的三天後,精子進入標記會留置在囊胚兩部位之間的邊緣處,一個部位是含有會形成胚胎本體的胚胎部分,另一個則是胚外部分。

這表示了,兩細胞胚胎內的其中一個細胞較容易發育成胚胎,另一個則傾向於變成胚外部分。我們感到震驚。我們觀察影像好幾個小時,甚至好幾天。我一開始根本不敢相信這些發現,所以我請卡羅琳娜一再重複進行實驗,打破早期對稱性的證據怎麼這麼簡單,會不會太簡單了?

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可以理解地,對此感到懷疑的人士可能會吹毛求疵地表示,決定分裂平面的不是精子進入點,而是將珠子嵌在進入點的這個動作。為了驗證這個可能性,我們進行了許許多多的對照實驗,我之後會提到。我們已經確認過,將珠子放置在受精錐以外的任何一個地方,都不足以決定分裂的平面。但我們還有諸多其他事項要一而再、再而三的確認,因為我們必須很確定。

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——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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