Misterije najupornije ćelije: Kako pliva, kako stiže, i zašto i dalje zbunjuje naučnike

Sa svakim otkucajem srca, muškarac može da proizvede oko hiljadu spermatozoida – a tokom seksualnog odnosa, više od 50 miliona neustrašivih plivača kreće da oplodi jajnu ćeliju. Samo nekoliko njih stiže do konačnog odredišta, pre nego što jedan spermatozoid pobedi u trci i prodre u jajnu ćeliju.

Ali mnogo toga o ovom epskom putovanju – i samim naučnicima – ostaje misterija za nauku.

Skoro 350 godina od otkrića spermatozoida, mnoga od ovih pitanja ostaju iznenađujuće otvorena.

Zahvaljujući savremenim istraživačkim alatima, naučnici sada prate spermatozoide na njihovoj migraciji – od njihovog nastanka u testisima pa sve do oplodnje jajne ćelije u ženskom telu. Rezultati vode do revolucionarnih novih otkrića, od toga kako spermatozoidi zapravo plivaju do iznenađujuće velikih promena koje im se dešavaju kada stignu do ženskog tela.

Ćelija kao nijedna druga

„Spermatozoidi su veoma, veoma različiti od svih ostalih ćelija na Zemlji“, kaže endokrinolog i reproduktivni biolog Sara Martins da Silva sa škotskog Univerziteta Dandi. „Oni drugačije proizvode i troše energiju. Nemaju istu vrstu ćelijskog metabolizma i mehanizama koje bismo očekivali da pronađemo u svim ostalim ćelijama.“

Zbog ogromnog spektra funkcija koje se zahtevaju od spermatozoida, njima je potrebno više energije nego drugim ćelijama. Pored toga, spermatozoidi moraju da budu fleksibilni, da bi mogli da reaguju na signale iz okoline i različite energetske zahteve tokom ejakulacije i putovanja duž ženskog trakta, sve do oplodnje.

Spermatozoidi su takođe jedine ljudske ćelije koje mogu da prežive van tela, dodaje Martins da Silva. „Iz tog razloga, oni su izuzetno specijalizovani.“ Međutim, zbog svoje veličine, ove sićušne ćelije je veoma teško proučavati. „Mnogo toga znamo o reprodukciji – ali postoji ogromna količina stvari koju ne razumemo.“

Nepoznanica i posle 350 godina istraživanja

Jedno fundamentalno pitanje koje je ostalo bez odgovora tokom skoro 350 godina istraživanja: šta su tačno spermatozoidi.

„Spermatozoidi su neverovatno dobro upakovani“, kaže Adam Votkins, vanredni profesor reproduktivne i razvojne fiziologije na Univerzitetu u Notingemu u Velikoj Britaniji. „Obično smo spermatozoide smatrali kesicom na repu DNK. Ali, kako smo počeli da shvatamo, to je prilično složena ćelija – u njoj se nalazi mnogo drugih genetskih informacija.“

Nauka o spermatozoidima je počela 1677. godine, kada je holandski mikrobiolog Antoni van Levenhuk, jednim od svojih 500 ručno rađenih mikroskopa, video ono što je nazvao „semenom životinja“. Zaključio je 1683. godine da nije jajna ćelija ta koja sadrži minijaturnog i celog čoveka, kako se ranije verovalo, već da čovek potiče „od animalkule u muškom semenu“. Do 1685. godine, odlučio je da svaki spermatozoid sadrži celu minijaturnu osobu, zajedno sa sopstvenom „živom dušom“.

Skoro 200 godina kasnije, 1869. godine, Johanes Fridrih Mišer, švajcarski lekar i biolog, proučavao je ljudska bela krvna zrnca sakupljena iz gnoja ostavljenog na prljavim bolničkim zavojima kada je otkrio ono što je nazvao „nuklein“ unutar jezgara. Termin „nuklein“ je kasnije promenjen u „nukleinska kiselina“ i na kraju je postao „dezoksiribonukleinska kiselina“ – ili „DNK“.

Želeći da dalje proučava DNK, Mišer se okrenuo spermi kao izvoru. Sperma lososa, posebno, bila je „odličan i lakši izvor nuklearnog materijala“ zbog svojih posebno velikih jezgara.

Radio je na niskim temperaturama, držeći prozore laboratorije otvorenim, kako bi izbegao kvarenje sperme lososa. Godine 1874. identifikovao je osnovnu komponentu spermatozoida koju je nazvao „protamin“. To je bio prvi pogled na proteine koji čine spermatozoide.

Međutim, trebalo je još 150 godina da naučnici identifikuju pun sadržaj proteina u sperme.

Jedinstvene ćelije transfomersi

Od tada, naše razumevanje sperme se značajno promenilo. Kako su naučnici počeli bolje da razumeju rani embrionalni razvoj, navodi profesor Votkins, shvatili su da sperma ne prenosi samo očeve hromozome, već i epigenetske informacije, dodatni sloj informacija koji utiče na to kako i kada geni treba da se koriste.

„To zaista može uticati na to kako se embrion razvija i potencijalno na doživotnu putanju potomstva koje ti spermatozoidi generišu“, dodaje profesor.

Spermatozoidi počinju da se formiraju od puberteta pa nadalje, stvarajući se u sudovima unutar testisa koji se nazivaju seminiferne tubule.

„Ako pogledate unutar testisa gde se spermatozoidi stvaraju, razvoj počinje od okrugle ćelije koja izgleda prilično kao sve ostale“, kaže Votkins. „Zatim prolazi kroz dramatičnu promenu gde postaje glava spermatozoida sa repom. Nijedna druga ćelija u telu ne menja svoju strukturu, svoj oblik, na tako jedinstven način.“

Spermatozoidima je potrebno oko devet nedelja da dostignu zrelost u muškom telu. Neejakulirani spermatozoidi na kraju umiru i reapsorbuju se u telo. Ali srećnici ejakuliraju – i tada počinje avantura.

Epsko putovanje

Nakon ejakulacije, svaka od ovih sićušnih ćelija mora se kretati napred (zajedno sa svojih 50 miliona konkurenata) koristeći svoje repolike dodatke da bi plivala ka jajnoj ćeliji. I dok ste verovatno videli mnoštvo snimaka spermatozoida sličnih punoglavcima koji plivaju okolo, naučnici tek počinju da razumeju kako spermatozoidi zaista plivaju.

Ranije se smatralo da se rep spermatozoida – ili flagelum – pomera s jedne na drugu stranu poput repa punoglavca. Ali 2023. godine, istraživači sa Univerziteta u Bristolu u Velikoj Britaniji otkrili su da repovi spermatozoida prate isti obrazac koji je otkrio matematičar i dešifrant iz Drugog svetskog rata Alan Tjuring.

Godine 1952, Tjuring je shvatio da hemijske reakcije mogu stvoriti obrasce. Predložio je da se dve biološke hemikalije koje se kreću i reaguju jedna sa drugom mogu koristiti za objašnjenje nekih od najzanimljivijih bioloških formacija obrazaca u prirodi – uključujući one koje se nalaze u otiscima prstiju, perju, lišću i talasima u pesku – ideja poznata kao njegova teorija „reakcije-difuzije“.

Koristeći tri-de mikroskopiju, istraživači iz Bristola otkrili su da se rep spermatozoida – ili flagelum – talasa, generišući talase koji putuju duž repa i pokreću ga napred. Ovo je značajno jer razumevanje kako se spermatozoidi kreću može pomoći naučnicima da razumeju mušku plodnost.

Kako pronalaze put

Spermatozoidi putuju kroz grlić materice, u matericu i uz jajovode – cevi kojima jajne ćelije putuju da bi stigle do materice, poznate kao jajovodi kod žena – u potrazi za jajnom ćelijom. Ali ovde nailazimo na još jednu prazninu u znanju, jer naučnici ne razumeju u potpunosti kako spermatozoidi zapravo pronalaze put do jajne ćelije.

Spermatozoidi koji su zdravi i kreću se pravim putem su retki. Mnogi pogrešno skreću u lavirintu ženskog tela – i nikada ne stignu ni blizu cilja. Za one koji pronađu put do jajovoda, naučnici smatraju da ih možda vode hemijski signali koje emituje jajna ćelija. Jedna novija teorija je da spermatozoidi mogu da koriste receptore ukusa da bi „okusili“ svoj put do jajne ćelije.

Konačni obračun sa jajnom ćelijom

Kada spermatozoidi pronađu jajnu ćeliju, izazov nije završen. Jajna ćelija je okružena trostrukim slojem oklopa: corona radiata, nizom ćelija; zona pellucida, želeastim jastukom napravljenim od proteina; i konačno membranom plazme jajne ćelije. Spermatozoidi moraju da se probiju kroz sve slojeve, koristeći hemikalije sadržane u njihovom akrozomu, strukturi nalik kapi na glavi spermatozoida koja sadrži enzime koji „buše“ omotač jajne ćelije.

Međutim, šta podstiče oslobađanje ovih enzima ostaje misterija.

Zatim, spermatozoidi koriste šiljak na svojoj „glavi“ da pokušaju da probiju put do jajne ćelije, udarajući repom kako bi se pomerili napred. Konačno, ako jedan spermatozoid dođe u kontakt sa membranom jajne ćelije, biva progutan i može da završi oplodnju.

Ljudske ćelije su diploidne. To znači da sadrže dva kompletna seta hromozoma, po jedan od svakog roditelja. Ako bi se više od jednog spermatozoida spojilo sa jajnom ćelijom, nastalo bi stanje koje se naziva polispermija. Razvile bi se nediploidne ćelije – one sa pogrešnim brojem hromozoma – stanje smrtonosno za embrion u razvoju.

Da bi se ovo sprečilo, kada spermatozoid dođe u kontakt sa njom, jajna ćelija brzo koristi dva mehanizma. Prvo, njena  membrana plazme se brzo depolarizuje – što znači da stvara električnu barijeru koju dalji spermatozoidi ne mogu da pređu. Međutim, ovo traje samo kratko vreme pre nego što se vrati u normalu. Tu dolazi do kortikalne reakcije. Naglo oslobađanje kalcijuma uzrokuje da zona pelucida – „ekstracelularni omotač“ jajne ćelije – postane očvrsnuta, stvarajući neprobojnu barijeru.

Dakle, od miliona spermatozoida koji krenu na putovanje, samo jedan – najčešće – dobije priliku da izvrši svoj zadatak. Epsko putovanje spermatozoida kulminira njegovim spajanjem sa jajnom ćelijom.

Danas, istraživači i dalje pokušavaju da otkriju identitet i ulogu proteina na površini ćelije koji bi mogli biti odgovorni za prepoznavanje, vezivanje i spajanje spermatozoida i jajne ćelije.

Čak i dok naučnici otkrivaju brojne i raznovrsne procese kroz koje spermatozoid prolazi da bi se oplodio, druga istraživanja dovode do stvarne zabrinutosti zbog trenutnog stanja ljudske sperme. Muškarci proizvode blizu bilion (hiljadu milijardi) spermatozoida tokom života, tako da je teško zamisliti da su spermatozoidi u problemu. Ali istraživanja ukazuju da broj spermatozoida u uzorku sperme – naglo opada na globalnom nivou i da se čini da se taj pad ubrzava.