生命誕生の陰に「精子の旅」ロマン 数学の方程式で解いた泳ぎ方の謎

   1回の射精で放出される精子の数は数億個といわれる。そのうち卵子にたどりつき結合できる精子は、たった1つだ。命の誕生の陰で繰り広げられるミクロの世界のドラマチック、かつ切ない「精子の旅」......。

   その精子が数学の方程式どおりの運動を行ない、卵子に向かう旅を続けることを京都大学の石本健太特定助教（物理学）らが発見、米国物理学会の学術誌「Physical Review Letters」（電子版）の2017年3月24日号に発表した。

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  コンピューター画面上の精子の流れのイメージと、巨大な卵子に向かう「精子の旅」（提供：石本健太・京都大学特定助教）

「ハチミツの中を泳いでいる」精子の運動

   スタンリー・キューブリック監督の名作SF映画に「2001年宇宙の旅」（1968年）があるが......。石本助教はJ-CASTヘルスケアの取材に「精子の旅」を強調してこう語った。

「生命の誕生は1つの精子と卵の出会いから始まります。しかし、その前に精子は他の多くの精子たちとの競争に勝たなくてはなりません。このような精子のダイナミックな姿を数式でシミュレーションしてみたい。そして、『精子の旅』の物語の全体像に迫りたいというのが研究の動機です」

   石本助教が精子の動きの解明に使った数式は「ストークス方程式」だ。精子は「べん毛」と呼ばれる長い尻尾を使い、精液や女性の体液の中を泳ぐが、ストークス方程式はミクロの生き物（微生物など）の周りの液体の流れを表す簡単な式だ。精子や微生物はサイズが小さいため周りの液体の粘度が高くなり、「ハチミツの中を泳いでいる」状態に例えられる。逆にいうと、精子の周りの流れを表す式から精子の泳ぎ方にアプローチできるわけだ。

   石本助教らは、実際に人間の精子が泳ぐ様子を高速カメラで撮影した。映像解析を行ない、精子をコンピューター画面上に再構築した。そして、ストークス方程式をコンピューターで解くことによって精子の運動を計算し、コンピューター画面上で泳がせたところ、実際のカメラの映像と同じ動きをすることを確認した。精子は方程式どおりに泳ぎ回るのだ。

   さらに、精子の周りの流れを方程式から調べると、複雑な動きの中にも一定のパターンがあった。これまでは精子は尻尾を使い、押し出すように進むと考えられてきたが、流れのパターンを分析すると、単純に押し出しているのではなく、ひねりながら押したり引っ張ったりを繰り返すリズミカルな運動をしていることがわかった。石本助教はこう語る。

「これはコンピューター上で方程式を解くことによって、初めてわかった発見です。実際に精子の動きを、周りの流れから観察で確かめるのは難しいです。『数理の目』で、これまで見えなかった精子の運動の様子を見ることができるようになったことが、今回の研究の成果です」

男性の「精子力」を数値化して不妊治療に貢献

   石本助教によると、「数理の目」を使うと、不妊治療の発展に貢献することも期待できるという。

「男性の『精子力』をより詳しく数値化することにつながるかもしれません。たとえば、精子の『よい運動性』の数値化です。男性不妊の診断では、精子の数、運動している精子の割合、スピードなどを指標としますが、精子の頭の位置を元にして、尻尾まで見ることはほとんどありません。尻尾の運動まで含めて数値化できれば、人工授精に使用する精子の選別につながると思います」

「また、哺乳類の精子はメスの卵管内に入ると、卵子に速く到達しようと、泳ぎ方を激変させます。超活性化して、『のたうち回る』ように激しく尻尾を振ります。この『のたうち回る』現象を数値化できれば、きちんと『のたうち回る』ことができる精子を選別することができるでしょう」

   そして、石本助教は最後にこう語った。

「今回の研究は個々の精子が対象でしたが、これからは精子の集団運動や、女性の体内のような複雑形状流路内の運動を数学的に理解し、ダイナミックな『精子の旅』の全体像に迫りたいです」