Как плуват сперматозоидите? Как се ориентират? От какво са направени? Какво общо има с това най-популярния разбивач на кодове от Втората световна война? Защо знаем толкова малко за тази загадъчна клетка?
С всяко сърцебиене мъжът произвежда около 1000 сперматозоида, а по време на полов акт над 50 милиона от тези неустрашими плувци се отправят на път, за да оплодят яйцеклетката. Само малцина достигат крайната си цел, преди един-единствен сперматозоид да спечели състезанието и да проникне в яйцеклетката.
Но голяма част от това епично пътуване, както и самите микроскопични изследователи, остават загадка за науката.
„Как плува сперматозоидът? Как намира яйцеклетката? Как я опложда?“, пита Сара Мартинс да Силва, клиничен лектор по ендокринология на диабета и репродуктивна биология в Университета в Дънди, Великобритания. Почти 350 години след откриването на сперматозоидите от учените много от тези въпроси остават изненадващо отворени за дискусия.
Използвайки новоразработени методи, учените сега проследяват сперматозоидите по време на тяхното мигриране – от зараждането им в тестисите до оплождането на яйцеклетката в женското тяло. Резултатите водят до
революционни нови открития,
от това как сперматозоидите наистина плуват до изненадващо големите промени, които настъпват в тях, когато достигнат женското тяло.
„Сперматозоидите са „много, много различни“ от всички други клетки на Земята“, казва Мартинс да Силва. „Те не обработват енергията по същия начин. Те нямат същия вид клетъчен метаболизъм и механизми, каквито бихме очаквали да намерим във всички други клетки.“
Поради огромния набор от функции, които се изискват от сперматозоидите, те се нуждаят от повече енергия от другите клетки. Освен това те трябва да бъдат гъвкави, за да могат да реагират на сигналите от околната среда и на променящите се енергийни нужди по време на еякулацията и пътуването в женските полови органи, чак до оплождането.
Сперматозоидите са и единствените човешки клетки, които могат да оцелеят извън тялото, добавя Мартинс да Силва. „Поради тази причина те са изключително специализирани.“ Въпреки това, поради размера си, тези малки клетки са много трудни за изучаване, казва тя. „Знаем много за репродукцията, но има и много неща, които не разбираме.“
Един фундаментален въпрос, който остава без отговор в продължение на почти 350 години изследвания – какво точно са сперматозоидите?
„Сперматозоидите са невероятно добре опаковани“, казва Адам Уоткинс, доцент по репродуктивна и развиваща се физиология в Университета в Нотингам, Великобритания. „Обикновено си представяхме сперматозоидите като торбичка с ДНК с опашка. Но както започнахме да осъзнаваме, това е доста сложна клетка – в нея има много друга генетична информация.“
Науката за сперматозоидите започва през 1677 г., когато холандският микробиолог Антони ван Левенхук поглежда през един от 500-те си самоделни микроскопа и вижда нещо, което нарича „семенни животни“. През 1683 г. той стига до заключението, че не яйцеклетката съдържа миниатюрния и цялостен човек, както се е смятало дотогава, а че
човекът произхожда „от животинче в мъжката сперма“.
До 1685 г. той стига до заключението, че всеки сперматозоид съдържа цял миниатюрен човек, снабден със собствена „жива душа“.
Почти 200 години по-късно, през 1869 г., швейцарският лекар и биолог Йоханес Фридрих Мишер изучава човешки бели кръвни клетки, събрани от гной, останал по замърсени болнични превръзки, когато открива в ядрата им нещо, което нарича „нуклеин“. Терминът „нуклеин“ по-късно е променен на „нуклеинова киселина“ и в крайна сметка става „дезоксирибонуклеинова киселина“ – или „ДНК“.
С цел да продължи изследванията си върху ДНК, Мишер се обръща към спермата като източник. Спермата на сьомгата, в частност, е „отличен и по-приятен източник на нуклеинов материал“ поради особено големите си ядра. Той работи при минусови температури, като държи прозорците на лабораторията отворени, за да избегне разграждането на спермата на сьомгата. През 1874 г. той идентифицира основен компонент на сперматозоида, който нарича „протамин“. Това е първият поглед към протеините, които съставляват сперматозоидите. Обаче са необходими още 150 години, за да идентифицират учените пълното протеиново съдържание на спермата.
Оттогава насам нашето разбиране за спермата напредна с гигантски стъпки. Но много неща все още остават загадка, казва Уоткинс. Той добавя, че с по-доброто разбиране на ранното ембрионално развитие учените осъзнават, че сперматозоидите не пренасят само хромозомите на бащата, но и
епигенетична информация –
допълнителен слой информация, който влияе върху това как и кога трябва да се използват гените. „Това може да повлияе на развитието на ембриона и потенциално на целия живот на потомството, което тези сперматозоиди създават“, казва Уоткинс.
Сперматозоидите започват да се образуват от пубертета нататък в съдове в тестисите, наречени семенни каналчета. „Ако погледнете вътре в тестисите, където се произвеждат сперматозоидите, те започват като кръгли клетки, които изглеждат почти като всички други“, казва Уоткинс. „След това клетката претърпява драматична промяна, при която се превръща в сперматозоидна глава с опашка. Няма друга клетка в тялото, която да променя структурата и формата си по толкова уникален начин.“
Сперматозоидите достигат зрялост в мъжкото тяло за около девет седмици. Нееякулираните сперматозоиди в крайна сметка умират и се резорбират в тялото. Но късметлиите се еякулират –
и тогава започва приключението.
След еякулацията всяка от тези малки клетки трябва да се движи напред (заедно с 50 милиона свои конкуренти), използвайки опашковидните си придатъци, за да плува към яйцеклетката. И макар да сте виждали много видеоклипове с плуващи сперматозоиди, приличащи на попови лъжички, всъщност учените едва сега започват да разбират как всъщност плуват сперматозоидите.
Преди се смяташе, че опашката на сперматозоида се движи като тази на попова лъжичка. Но през 2023 г. изследователи от Университета в Бристол, Великобритания, откриха, че опашките на сперматозоидите следват същия модел за образуване на фигури, открит от математика и
дешифратор на кодове от Втората световна война Алън Тюринг.
През 1952 г. Тюринг осъзнава, че химичните реакции могат да създават модели. Той предлага, че две биологични химични вещества, които се движат и реагират помежду си, могат да бъдат използвани за обяснение на някои от най-интригуващите биологични модели в природата – включително тези, които се срещат в пръстовите отпечатъци, перата, листата и вълните в пясъка – идея, известна като неговата теория за „реакция-дифузия“. С помощта на 3D микроскопи изследователите от Бристол откриват, че опашката на сперматозоида се вълнува, генерирайки вълни, които се движат по опашката, за да я тласкат напред. Това е важно, тъй като разбирането на движението на сперматозоидите може да помогне на учените да разберат мъжката плодовитост.
Така че сега сперматозоидите са в движение. Те преминават през шийката на матката, влизат в матката и се изкачват по тръбите, по които яйцеклетките се придвижват, за да достигнат матката, известни като фалопиеви тръби – в търсене на яйцеклетката. Но тук се натъкваме на друга празнина в знанията, защото учените не разбират напълно
как сперматозоидите всъщност намират пътя си към яйцеклетката.
Здравите сперматозоиди, които поемат по правилния път, са редки. Много поемат по грешен път в лабиринта, който е женското тяло, и никога не достигат финалната линия. Учените смятат, че тези, които все пак достигат маточните тръби, може би се направляват от химически сигнали, излъчвани от яйцеклетката. Една от последните теории е, че сперматозоидите може да използват вкусови рецептори, за да „вкусят“ пътя си към яйцеклетката.
След като сперматозоидите намерят яйцеклетката, предизвикателството не е приключило. Яйцеклетката е обградена от трислойна броня: корона радиата, редица клетки; зона пелуцида, желеподобна възглавница, направена от протеини; и накрая плазмената мембрана на яйцеклетката. Сперматозоидите трябва да се преборят с всички слоеве, като използват химикали, съдържащи се в акрозомата – капачеста структура на главата на сперматозоида, съдържаща ензими, които разграждат обвивката на яйцеклетката. Обаче това, което предизвиква освобождаването на тези ензими, остава загадка.
След това сперматозоидите използват
шип на „главата” си, за да пробият яйцеклетката,
като махат с опашките си, за да се придвижат напред. Накрая, ако една сперматозоидна клетка влезе в контакт с мембраната на яйцеклетката, тя се поглъща и може да завърши оплождането.
Човешките клетки са диплоидни. Това означава, че съдържат два пълни набора хромозоми, по един от всеки родител. Ако повече от една сперматозоидна клетка се слее с яйцеклетката, възниква състояние, наречено полиспермия. Развиват се недиплоидни клетки – с неправилен брой хромозоми – състояние, което е смъртоносно за развиващия се ембрион.
За да се предотврати това, веднага след като сперматозоидът влезе в контакт с яйцеклетката, тя бързо задейства два механизма. Първо, плазмената й мембрана бързо се деполяризира, което означава, че
създава електрическа бариера,
която не може да бъде преодоляна от други сперматозоиди. Това обаче трае само за кратко време, след което се връща към нормалното състояние. Тук се включва кортикалната реакция. Внезапното освобождаване на калций води до втвърдяване на зона пелуцида – „извънклетъчната обвивка“ на яйцеклетката – и създава непроницаема бариера.
Така от милионите сперматозоиди, които започват пътуването си, само един – най-много – успява да изпълни задачата си. Епичното пътуване на сперматозоида завършва със сливането му с яйцеклетката. Днес изследователите все още се опитват да разкрият идентичността и ролята на протеините на клетъчната повърхност, които биха могли да бъдат отговорни за разпознаването, свързването и сливането на сперматозоидите и яйцеклетките. През последните години бяха идентифицирани няколко протеина – макар и при мишки и риби – които са от решаващо значение за този процес, но много от молекулите, участващи в него, остават неизвестни. Така че засега как сперматозоидите и яйцеклетките се разпознават и как се сливат, остава още една неразгадана загадка.
Какви външни фактори влияят върху мъжката плодовитост и защо?
Един от начините, по който изследователите се надяват да хвърлят светлина върху сперматозоидите, е чрез изучаване на други видове, различни от нашия, казва Скот Питник, професор по биология в Сиракузския университет в Ню Йорк. Човешките сперматозоиди са микроскопични, така че не можем да ги видим с невъоръжено око. Но някои видове плодови мушици произвеждат сперматозоиди, които са 20 пъти по-дълги от тялото им. Това би било като човек, който произвежда сперматозоиди с дължина 40 м.
Питник конструира главичките на сперматозоидите на плодови мушици, така че да светят. Това му позволява да ги наблюдава, докато преминават през разрязани женски репродуктивни органи, разкривайки нови подробности за оплождането на молекулярно ниво.
„Защо мъжките при някои видове произвеждат няколко гигантски сперматозоида?“, пита Питник. „Оказва се, че отговорът е, защото женските са развили репродуктивни органи, които ги предпочитат.“ Това „не е много отговор“, добавя той, защото просто пренасочва въпроса: защо женските са еволюирали по този начин? „Все още не разбираме това изобщо.“
Изследванията показват, че
броят на сперматозоидите намалява в световен мащаб
и този спад изглежда се ускорява.
Но това ни учи, че сперматозоидите, така както съществуват в мъжкото тяло, са само половината от историята, казва Питник. „В науката исторически има огромни полови предразсъдъци. Имало е неприлично пристрастно фокусиране върху мъжките характеристики. Но се оказва, че това, което движи системата, е женската еволюция – а мъжете просто се опитват да я настигнат.“
Сперматозоидите, казва Питник, са най-разнообразният и бързо еволюиращ тип клетки на Земята. Защо сперматозоидите са претърпели такава драматична еволюция е загадка, която затруднява биолозите от повече от век.
„Оказва се, че женският репродуктивен тракт е невероятно бързо еволюираща среда“, казва Питник, „и ние не знаем много за това, което правят сперматозоидите вътре в жената. Това е голям, скрит свят. Мисля, че женският репродуктивен тракт е най-голямата неизследвана граница за половия подбор, теорията и видообразуването (процесът, чрез който се образуват нови видове).“
Дългата опашка на сперматозоидите на плодовата муха, предполага Питник, може да се счита за украшение – подобно на рогата на елена или опашката на пауна. Украшенията са „вид оръжие в еволюцията“, обяснява Питник. Освен защита от хищници, украшенията като рога и рога често имат две роли. „Много от тези оръжия са свързани със секса и обикновено с конкуренцията между мъжките. Дългата опашка на сперматозоидите на плодовата муха наистина отговаря на критериите за украшение. Смятаме, че женският тракт има характеристики, които дават предимство на някои фенотипи на сперматозоидите пред други при оплождането.“
Знаем много за сексуалния подбор преди чифтосването, казва Питник. „Да речем, че това са прерийни пилета, които танцуват на пасището, или райска птица, която се показва в тропическата гора. Това е движение, цвят, мирис?“ Обработката на тази сензорна информация, обяснява Питник, води до вземане на решение – дали двойката ще се чифтоса или не.
Но, казва Питник, сексуалната селекция, която протича в женската след чифтосването – и как това влияе на еволюцията на сперматозоидите – остава до голяма степен загадка. „Все още знаем много малко за генетиката на украшенията и предпочитанията“, казва той.
За да разберем напълно сперматозоидите, трябва да помислим как целият им жизнен цикъл – и женското тяло, обяснява Питник, играят огромна роля в развитието им. „Сперматозоидите не са зрели, когато завършат развитието си в тестисите, те не са завършили развитието си.“ Между сперматозоидите и женския репродуктивен тракт се случват сложни и критични взаимодействия, казва той. „Сега прекарваме много време в изучаване на това, което наричаме
пост-еякулаторни модификации на сперматозоидите
в цялото животинско царство.“ Докато учените разкриват многобройните и разнообразни процеси, през които преминава спермата, за да постигне оплождане, други изследвания водят до реална загриженост за състоянието на човешката сперма. Мъжете произвеждат близо трилион сперматозоида през живота си, така че може да е трудно да си представим, че спермата е в беда. Но изследванията показват, че броят на сперматозоидите – броят на сперматозоидите в проба сперма – намалява в световен мащаб и спадът изглежда се ускорява.
Според доклад на Световната здравна организация (СЗО) от 2023 г. около един на всеки шест възрастни в света страда от безплодие, като мъжкото безплодие е причина за около половината от всички случаи.
Смята се, че замърсяването, тютюнопушенето, алкохолът, лошото хранене, липсата на физическа активност и стресът оказват влияние върху мъжката безплодие. Въпреки това, за по-голямата част от мъжете с проблеми с плодовитостта причината остава неизяснена.
„При всички тези движещи се части има толкова много неща, които могат да се объркат“, казва Хана Морган, изследовател в областта на здравето на майките и плода в Университета в Манчестър, Великобритания.
„Може да е механичен проблем: не плува добре и не може да достигне яйцеклетката. Или може да е нещо по-сложно в главата на сперматозоида или в други части от него. Той е толкова специализиран в толкова много различни аспекти, че много малки неща могат да се объркат.“
Един от начините да се установи дали даден мъж е безплоден е да се погледне вътре в сперматозоида, казва Морган. „Как изглежда ДНК? Как е опакована? Колко е фрагментирана? За да разбиете сперматозоида, има цяла поредица от неща, които можете да разгледате. Но какво е добро или лошо измерване? Всъщност не знаем.“
Може би, като разкрием тайната на сперматозоидите и как функционират, казва Морган, ще започнем да разбираме и мъжкото безплодие.
0 Коментара