Мистерије најупорније ћелије: Како плива, како стиже, и зашто и даље збуњујe научнике

Са сваким откуцајем срца, мушкарац може да произведе око хиљаду сперматозоида – а током сексуалног односа, више од 50 милиона неустрашивих пливача креће да оплоди јајну ћелију. Само неколико њих стиже до коначног одредишта, пре него што један сперматозоид победи у трци и продре у јајну ћелију.

Али много тога о овом епском путовању – и самим научницима – остаје мистерија за науку.

Скоро 350 година од открића сперматозоида, многа од ових питања остају изненађујуће отворена.

Захваљујући савременим истраживачким алатима, научници сада прате сперматозоиде на њиховој миграцији – од њиховог настанка у тестисима па све до оплодње јајне ћелије у женском телу. Резултати воде до револуционарних нових открића, од тога како сперматозоиди заправо пливају до изненађујуће великих промена које им се дешавају када стигну до женског тела.

Ћелија као ниједна друга

„Сперматозоиди су веома, веома различити од свих осталих ћелија на Земљи“, каже ендокринолог и репродуктивни биолог Сара Мартинс да Силва са шкотског Универзитета Данди. „Они другачије производе и троше енергију. Немају исту врсту ћелијског метаболизма и механизама које бисмо очекивали да пронађемо у свим осталим ћелијама.“

Због огромног спектра функција које се захтевају од сперматозоида, њима је потребно више енергије него другим ћелијама. Поред тога, сперматозоиди морају да буду флексибилни, да би могли да реагују на сигнале из околине и различите енергетске захтеве током ејакулације и путовања дуж женског тракта, све до оплодње.

Сперматозоиди су такође једине људске ћелије које могу да преживе ван тела, додаје Мартинс да Силва. „Из тог разлога, они су изузетно специјализовани.“ Међутим, због своје величине, ове сићушне ћелије је веома тешко проучавати. „Много тога знамо о репродукцији – али постоји огромна количина ствари коју не разумемо.“

Непознаница и после 350 година истраживања

Једно фундаментално питање које је остало без одговора током скоро 350 година истраживања: шта су тачно сперматозоиди.

„Сперматозоиди су невероватно добро упаковани“, каже Адам Воткинс, ванредни професор репродуктивне и развојне физиологије на Универзитету у Нотингему у Великој Британији. „Обично смо сперматозоиде сматрали кесицом на репу ДНК. Али, како смо почели да схватамо, то је прилично сложена ћелија – у њој се налази много других генетских информација.“

Наука о сперматозоидима је почела 1677. године, када је холандски микробиолог Антони ван Левенхук, једним од својих 500 ручно рађених микроскопа, видео оно што је назвао „семеном животиња“. Закључио је 1683. године да није јајна ћелија та која садржи минијатурног и целог човека, како се раније веровало, већ да човек потиче „од анималкуле у мушком семену“. До 1685. године, одлучио је да сваки сперматозоид садржи целу минијатурну особу, заједно са сопственом „живом душом“.

Скоро 200 година касније, 1869. године, Јоханес Фридрих Мишер, швајцарски лекар и биолог, проучавао је људска бела крвна зрнца сакупљена из гноја остављеног на прљавим болничким завојима када је открио оно што је назвао „нуклеин“ унутар језгара. Термин „нуклеин“ је касније промењен у „нуклеинска киселина“ и на крају је постао „дезоксирибонуклеинска киселина“ – или „ДНК“.

Желећи да даље проучава ДНК, Мишер се окренуо сперми као извору. Сперма лососа, посебно, била је „одличан и лакши извор нуклеарног материјала“ због својих посебно великих језгара.

Радио је на ниским температурама, држећи прозоре лабораторије отвореним, како би избегао кварење сперме лососа. Године 1874. идентификовао је основну компоненту сперматозоида коју је назвао „протамин“. То је био први поглед на протеине који чине сперматозоиде.

Међутим, требало је још 150 година да научници идентификују пун садржај протеина у сперме.

Јединствене ћелије трансфомерси

Од тада, наше разумевање сперме се значајно променило. Како су научници почели боље да разумеју рани ембрионални развој, наводи професор Воткинс, схватили су да сперма не преноси само очеве хромозоме, већ и епигенетске информације, додатни слој информација који утиче на то како и када гени треба да се користе.

„То заиста може утицати на то како се ембрион развија и потенцијално на доживотну путању потомства које ти сперматозоиди генеришу“, додаје професор.

Сперматозоиди почињу да се формирају од пубертета па надаље, стварајући се у судовима унутар тестиса који се називају семиниферне тубуле.

„Ако погледате унутар тестиса где се сперматозоиди стварају, развој почиње од округле ћелије која изгледа прилично као све остале“, каже Воткинс. „Затим пролази кроз драматичну промену где постаје глава сперматозоида са репом. Ниједна друга ћелија у телу не мења своју структуру, свој облик, на тако јединствен начин.“

Сперматозоидима је потребно око девет недеља да достигну зрелост у мушком телу. Неејакулирани сперматозоиди на крају умиру и реапсорбују се у тело. Али срећници ејакулирају – и тада почиње авантура.

Епско путовање

Након ејакулације, свака од ових сићушних ћелија мора се кретати напред (заједно са својих 50 милиона конкурената) користећи своје реполике додатке да би пливала ка јајној ћелији. И док сте вероватно видели мноштво снимака сперматозоида сличних пуноглавцима који пливају около, научници тек почињу да разумеју како сперматозоиди заиста пливају.

Раније се сматрало да се реп сперматозоида – или флагелум – помера с једне на другу страну попут репа пуноглавца. Али 2023. године, истраживачи са Универзитета у Бристолу у Великој Британији открили су да репови сперматозоида прате исти образац који је открио математичар и дешифрант из Другог светског рата Алан Тјуринг.

Године 1952, Тјуринг је схватио да хемијске реакције могу створити обрасце. Предложио је да се две биолошке хемикалије које се крећу и реагују једна са другом могу користити за објашњење неких од најзанимљивијих биолошких формација образаца у природи – укључујући оне које се налазе у отисцима прстију, перју, лишћу и таласима у песку – идеја позната као његова теорија „реакције-дифузије“.

Користећи три-де микроскопију, истраживачи из Бристола открили су да се реп сперматозоида – или флагелум – таласа, генеришући таласе који путују дуж репа и покрећу га напред. Ово је значајно јер разумевање како се сперматозоиди крећу може помоћи научницима да разумеју мушку плодност.

Како проналазе пут

Сперматозоиди путују кроз грлић материце, у материцу и уз јајоводе – цеви којима јајне ћелије путују да би стигле до материце, познате као јајоводи код жена – у потрази за јајном ћелијом. Али овде наилазимо на још једну празнину у знању, јер научници не разумеју у потпуности како сперматозоиди заправо проналазе пут до јајне ћелије.

Сперматозоиди који су здрави и крећу се правим путем су ретки. Многи погрешно скрећу у лавиринту женског тела – и никада не стигну ни близу циља. За оне који пронађу пут до јајовода, научници сматрају да их можда воде хемијски сигнали које емитује јајна ћелија. Једна новија теорија је да сперматозоиди могу да користе рецепторе укуса да би „окусили“ свој пут до јајне ћелије.

Коначни обрачун са јајном ћелијом

Када сперматозоиди пронађу јајну ћелију, изазов није завршен. Јајна ћелија је окружена троструким слојем оклопа: corona radiata, низом ћелија; zona pellucida, желеастим јастуком направљеним од протеина; и коначно мембраном плазме јајне ћелије. Сперматозоиди морају да се пробију кроз све слојеве, користећи хемикалије садржане у њиховом акрозому, структури налик капи на глави сперматозоида која садржи ензиме који „буше“ омотач јајне ћелије.

Међутим, шта подстиче ослобађање ових ензима остаје мистерија.

Затим, сперматозоиди користе шиљак на својој „глави“ да покушају да пробију пут до јајне ћелије, ударајући репом како би се померили напред. Коначно, ако један сперматозоид дође у контакт са мембраном јајне ћелије, бива прогутан и може да заврши оплодњу.

Људске ћелије су диплоидне. То значи да садрже два комплетна сета хромозома, по један од сваког родитеља. Ако би се више од једног сперматозоида спојило са јајном ћелијом, настало би стање које се назива полиспермија. Развиле би се недиплоидне ћелије – оне са погрешним бројем хромозома – стање смртоносно за ембрион у развоју.

Да би се ово спречило, када сперматозоид дође у контакт са њом, јајна ћелија брзо користи два механизма. Прво, њена  мембрана плазме се брзо деполаризује – што значи да ствара електричну баријеру коју даљи сперматозоиди не могу да пређу. Међутим, ово траје само кратко време пре него што се врати у нормалу. Ту долази до кортикалне реакције. Нагло ослобађање калцијума узрокује да зона пелуцида – „екстрацелуларни омотач“ јајне ћелије – постане очврснута, стварајући непробојну баријеру.

Дакле, од милиона сперматозоида који крену на путовање, само један – најчешће – добије прилику да изврши свој задатак. Епско путовање сперматозоида кулминира његовим спајањем са јајном ћелијом.

Данас, истраживачи и даље покушавају да открију идентитет и улогу протеина на површини ћелије који би могли бити одговорни за препознавање, везивање и спајање сперматозоида и јајне ћелије.

Чак и док научници откривају бројне и разноврсне процесе кроз које сперматозоид пролази да би се оплодио, друга истраживања доводе до стварне забринутости због тренутног стања људске сперме. Мушкарци производе близу билион (хиљаду милијарди) сперматозоида током живота, тако да је тешко замислити да су сперматозоиди у проблему. Али истраживања указују да број сперматозоида у узорку сперме – нагло опада на глобалном нивоу и да се чини да се тај пад убрзава.