Kako spermatozoidi plivaju? Kako se kreću? Od čega je spermatozoid napravljen? Kakve veze sa svim tim ima Alan Tjuring? Bi-Bi-Si otkriva zašto tako malo znamo o ovoj misterioznoj ćeliji.
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, prije nego što jedan spermatozoid pobijedi 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 tijelu. Rezultati vode do revolucionarnih novih otkrića, od toga kako spermatozoidi zapravo plivaju do iznenađujuće velikih promjena koje im se dešavaju kada stignu do ženskog tijela.
Ćelija kao nijedna druga
„Spermatozoidi su veoma, veoma različiti od svih ostalih ćelija na Zemlji. Oni drugačije proizvode i troše energiju. Nemaju istu vrstu ćelijskog metabolizma i mehanizama koje bismo očekivali da pronađemo u svim ostalim ćelijama“, kaže endokrinolog i reproduktivni biolog Sara Martins da Silva sa škotskog Univerziteta Dandi.
Zbog ogromnog spektra funkcija koje se zahtijevaju 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 zahtjeve tokom ejakulacije i putovanja duž ženskog trakta, sve do oplodnje.
Spermatozoidi su takođe jedine ljudske ćelije koje mogu da prežive van tijela, 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 razumijemo“, dodaje.
Nepoznanica i poslije 350 godina istraživanja
Jedno fundamentalno pitanje koje je ostalo bez odgovora tokom skoro 350 godina istraživanja: šta su tačno spermatozoidi.
„Spermatozoidi su nevjerovatno dobro upakovani. 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“, kaže Adam Votkins, vanredni profesor reproduktivne i razvojne fiziologije na Univerzitetu u Notingemu u Velikoj Britaniji.
Nauka o spermatozoidima je počela 1677. godine, kada je holandski mikrobiolog Antoni van Levenhuk, jednim od svojih 500 ručno rađenih mikroskopa, vidio ono što je nazvao „sjemenom životinja“. Zaključio je 1683. godine da nije jajna ćelija ta koja sadrži minijaturnog i cijelog čovjeka, kako se ranije vjerovalo, već da čovjek potiče „od animalkule u muškom sjemenu“. Do 1685. godine, odlučio je da svaki spermatozoid sadrži cijelu minijaturnu osobu, zajedno sa sopstvenom „živom dušom“.
Skoro 200 godina kasnije, 1869. godine, Johanes Fridrih Mišer, švajcarski ljekar i biolog, proučavao je ljudska bijela krvna zrnca sakupljena iz gnoja ostavljenog na prljavim bolničkim zavojima kada je otkrio ono što je nazvao „nuklein“ unutar jezgara. Termin „nuklein“ je kasnije promijenjen 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 izbjegao 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 razumijevanje sperme se značajno promijenilo. Kako su naučnici počeli bolje da razumiju 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 gdje se spermatozoidi stvaraju, razvoj počinje od okrugle ćelije koja izgleda prilično kao sve ostale. Zatim prolazi kroz dramatičnu promjenu gdje postaje glava spermatozoida sa repom. Nijedna druga ćelija u tijelu ne mijenja svoju strukturu, svoj oblik, na tako jedinstven način“, kaže Votkins.
Spermatozoidima je potrebno oko devet nedjelja da dostignu zrelost u muškom tijelu. Neejakulirani spermatozoidi na kraju umiru i reapsorbuju se u tijelo. Ali srećnici ejakuliraju - i tada počinje avantura.
Еpsko putovanje
Nakon ejakulacije, svaka od ovih sićušnih ćelija mora se kretati naprijed (zajedno sa svojih 50 miliona konkurenata) koristeći svoje repolike dodatke da bi plivala ka jajnoj ćeliji. I dok ste vjerovatno vidjeli mnoštvo snimaka spermatozoida sličnih punoglavcima koji plivaju okolo, naučnici tek počinju da razumiju kako spermatozoidi zaista plivaju.
Ranije se smatralo da se rep spermatozoida - ili flagelum - pomijera 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 dvije 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 pijesku - 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 naprijed. Ovo je značajno jer razumijevanje kako se spermatozoidi kreću može pomoći naučnicima da razumijju mušku plodnost.
Kako pronalaze put
Spermatozoidi putuju kroz grlić materice, u matericu i uz jajovode - cijevi kojima jajne ćelije putuju da bi stigle do materice, poznate kao jajovodi kod žena - u potrazi za jajnom ćelijom. Ali ovdje nailazimo na još jednu prazninu u znanju, jer naučnici ne razumiju u potpunosti kako spermatozoidi zapravo pronalaze put do jajne ćelije.
Spermatozoidi koji su zdravi i kreću se pravim putem su rijetki. Mnogi pogrešno skreću u lavirintu ženskog tijela - 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 pomjerili naprijed. 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 spriječilo, 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 vrijeme prije 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. Еpsko 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.
.webp)
