Найзагадковіша клітина. Які таємниці зберігає в собі сперматозоїд

Підпис до фото, Сперматозоїд – найменша клітина в людському тілі, водночас – одна з найскладніших

• • Author, Кетрін Лейтем
  • Role, ВВС
• 41 хвилин(и) тому

Як рухаються сперматозоїди? Як вони орієнтуються в жіночому тілі? І який стосунок до цього має шифрувальник часів Другої світової?

Виявляється, ми мало знаємо про цю загадкову клітину. Чому так, спробувала розібратись ВВС.

З кожним ударом серця чоловік може виробляти близько 1 000 сперматозоїдів, а під час статевого акту понад 50 мільйонів безстрашних “бійців” вирушають на запліднення яйцеклітини. Лише деякі з них дістаються цілі, і тільки один-єдиний перемагає і проникає в яйцеклітину.

Багато в цих “епічних перегонах” лишається загадкою для науки.

Однак нові методи дозволяють вченим стежити за міграцією сперматозоїдів – від зародження в яєчках до запліднення в жіночому організмі.

Отримані результати ведуть до революційних відкриттів – від того, як насправді сперматозоїди рухаються, до дивовижних змін, що відбуваються з ними, коли вони досягають жіночого тіла.

Підписуйтеся на нас у соцмережах

Сперматозоїд – найменша клітина в людському тілі, й водночас одна з найскладніших.

“Вони дуже відрізняються від інших клітин на Землі. Мають інший метаболізм і механізми”, – пояснює Сара Мартінс да Сільва, репродуктивний біолог в університеті Данді (Велика Британія).

Сперматозоїди виконують багато функцій, тому їм потрібно більше енергії, ніж іншим клітинам. Вони також мають бути гнучкішими, щоб реагувати на зовнішні сигнали й мінливі умови під час еякуляції та “подорожі” репродуктивним трактом – аж до запліднення.

Це – єдині людські клітини, які можуть вижити поза організмом, додає Мартінс да Сілва.

“З цієї причини сперматозоїди надзвичайно складні. Але через свій маленький розмір їх дуже важко досліджувати, – вказує науковиця. – Ми багато знаємо про розмноження, і багато досі не розуміємо”.

Підпис до фото, Щоб яйцеклітина стала тільки його обраницею, сперматозоїд має подолати безліч перешкодВперше сперматозоїди виявив голландський вчений Антоні ван Левенгук у 1677 році.

Він описав їх як “маленьких тварин”. Це відкриття було важливим кроком у розумінні запліднення.

Через майже 200 років, 1869-го, швейцарський лікар і біолог Йоганн Фрідріх Мішер, вивчаючи лейкоцити, зібрані з гною на лікарняних бинтах, виділив з ядер клітин невідому раніше речовину, яку назвав “нуклеїном”. Це відкриття стало важливим кроком у вивченні будови і функцій клітинного ядра і в підсумку призвело до відкриття дезоксирибонуклеїнової кислоти – або ДНК.

Щоб поглибити свої дослідження ДНК, Мішер звернувся до сперми як до джерела. 1874 року він виділив основний компонент сперматозоїда і назвав його “протаміном”.

Це був перший погляд на білки, з яких складаються сперматозоїди. Однак минуло ще 150 років, перш ніж науковці змогли визначити повний склад білків у спермі.

Відтоді наші уявлення про сперматозоїди пішли далеко вперед. Але багато, як і раніше, лишається загадкою, каже Воткінс.

Сьогодні вчені краще розуміють ранній ембріональний розвиток – що крім генетичного коду, сперматозоїди також передають інформацію про те, як ці гени мають “працювати”.

“Це може вплинути на розвиток ембріона і, можливо, на всю подальшу долю нащадків, які вироблять ці сперматозоїди”, – вказує Воткінс.

Сперматозоїди починають вироблятися у хлопчиків з настанням пубертату (статевої зрілості).

“Спочатку це просто кругла клітина, яка виглядає майже як усі інші, – пояснює Воткінс. – У процесі дозрівання у сперматозоїда формується хвостик, за допомогою якого він може рухатись. Жодна інша клітина в організмі не змінює свою структуру і форму таким унікальним чином”.

Сперматозоїд дозріває протягом дев’яти тижнів у чоловічому організмі. Нееякулювані сперматозоїди гинуть і всмоктуються в організм. А найщасливіші з них еякулюють – і тоді починаються справжні пригоди.

Усі ці 50 млн крихіток вирушають до яйцеклітини. І хоча ви, мабуть, бачили безліч відео, на яких пливуть схожі на пуголовків сперматозоїди, вчені тільки починають розуміти, як вони насправді рухаються.

Підпис до фото, Голландський мікробіолог XVII століття Антоні ван Левенгук вважав, що всередині сперматозоїдів існує крихітна, але повноцінна людинаРаніше вважали, що хвіст сперматозоїда (джгутик) рухається з боку в бік, як у пуголовка, створюючи хвилеподібні рухи для просування. Однак, сучасні дослідження показали, що це не зовсім так.

У 2023 році дослідники з Бристольського університету виявили, що структура хвостів сперматозоїдів формується за тим самим математичним принципом, який описав Алан Тюрінг, математик і фахівець зі зламу кодів часів Другої світової війни. Цей принцип описує закономірності в розподілі елементів у просторі та часі, і, як виявилося, застосовується і до біологічних структур, таких як хвости сперматозоїдів.

Щоб вхопити їхній рух, бристольські дослідники використали камеру, здатну робити 55 тисяч знімків за секунду. А для відстеження цього руху використали 3D-мікроскоп.

Результати здивували. Насправді хвіст сперматозоїда не рухається з боку в бік: він хвилеподібно вигинається, генеруючи хвилі, які штовхають його вперед. Це дуже важливо, оскільки розуміння того, як рухаються сперматозоїди, може допомогти вченим краще зрозуміти природу чоловічої фертильності.

Тепер кілька слів про шлях запліднення.

Сперматозоїди проходять через шийку матки, потрапляючи до самої матки, і далі підіймаються фаллопієвими трубами (яйцепроводами) до яйцеклітини.

І тут ми маємо ще одну прогалину в знаннях, оскільки вчені не до кінця розуміють, як саме сперматозоїди добираються до яйцеклітини.

Здорові сперматозоїди, які рухаються правильним маршрутом, трапляються рідко. Багато з них блукають в лабіринтах жіночого тіла і навіть не наближаються до цілі. Вчені вважають, що ті з них, які все ж таки знайшли шлях до маткових труб, орієнтуються на хімічні сигнали, які надсилає яйцеклітина. Одна з останніх теорій свідчить, що сперматозоїди застосовують смакові рецептори, щоб “відчути” свій шлях до яйцеклітини.

Коли сперматозоїд знаходить яйцеклітину, на цьому випробування не закінчуються. Яйцеклітину захищають три оболонки.

Перша – променистий вінець (corona radiata), що складається з клітин, які оточують яйцеклітину.

За променистим вінцем йде zona pellucida – прозора або блискуча оболонка. Вона складається з білків, які допомагають яйцеклітині та сперматозоїду знаходити одне одного, а після запліднення не дають склеюватися між собою сусіднім ембріонам.

Третя оболонка – плазматична мембрана. Вона захищає клітину від ушкоджень і регулює надходження до неї різних речовин.

Сперматозоїдам доводиться пробиватися крізь усі три оболонки, використовуючи хімічні речовини, що містяться в їхній акросомі – “шапочці” на голівці, яка містить ферменти, що перетравлюють оболонку яйцеклітини. Однак, що саме спонукає вивільняти ці ферменти, залишається загадкою.

Клітини людини – диплоїдні. Це означає, що вони містять два повних набори хромосом, по одному від кожного з батьків. Якщо в яйцеклітину проникає більше одного сперматозоїда, утворюється стан, який називають поліспермією. Тобто формуються клітини з неправильним числом хромосом, що є смертельним для ембріона.

Щоб цього не сталося, після контакту зі сперматозоїдом яйцеклітина швидко вмикає два механізми. Спочатку її плазматична мембрана деполяризується – створює електричний бар’єр, який сперматозоїд не може подолати. Однак це триває лише короткий час, після чого все повертається на свої місця. І тут за справу береться реакція кори головного мозку. Раптовий викид кальцію призводить до того, що оболонка яйцеклітини zona pellucida твердіє, створюючи непроникний бар’єр.

Таким чином, з мільйонів сперматозоїдів, що вирушають у подорож, лише один отримує можливість виконати свою роботу.

Кульмінацією епічної подорожі сперматозоїда стає його злиття з яйцеклітиною.

Сьогодні дослідники намагаються з’ясувати роль білків, що беруть участь у заплідненні. Однак тонкощі цього процесу – поки що на стадії вивчення.

Підпис до фото, Хоча сперматозоїди відіграють важливу роль під час запліднення, вони досі недостатньо вивченіОдин із способів, яким дослідники сподіваються пролити світло на природу сперматозоїда, – вивчення інших видів, окрім нашого, каже Скотт Пітнік, професор біології з Університету Сиракуз у Нью-Йорку.

Людські сперматозоїди – мікроскопічні, тому ми не можемо побачити їх неозброєним оком. Але деякі види плодових мушок виробляють сперматозоїди, довжина яких у 20 разів перевищує довжину їхнього тіла. Це якби чоловік виробляв би сперму завдовжки з 40-метрового пітона.

Пітнік спроєктував головки сперматозоїдів плодових мушок так, щоб вони світилися. Це дозволяє йому спостерігати за ними, коли вони проходять через препаровані репродуктивні шляхи самиць мух, розкриваючи нові деталі запліднення на молекулярному рівні.

“Чому самці деяких видів виробляють кілька гігантських сперматозоїдів?” – розмірковує Пітнік. – Виявляється, у самиць розвинулися репродуктивні органи, які сприяють цьому”.

“Це не зовсім відповідь, – додає він, – бо вона просто змінює запитання: чому самиці еволюціонували таким чином? Ми досі не розуміємо цього”.

“Але це показує нам, що сперматозоїди у тому вигляді, в якому вони існують в чоловічому організмі, – це лише половина історії”, – каже Пітнік.

“Історично в науці існує величезна статева упередженість – фокус на чоловічих рисах. Але виявляється, що рушійною силою системи є жіноча еволюція, а чоловіки просто намагаються не відставати від неї”.

За словами Пітника, сперматозоїди – тип клітин, який найшвидше еволюціонує. Чому вони зазнали такої стрімкої еволюції – загадка, яка вже понад століття бентежить біологів.

“Виявляється, жіночий репродуктивний тракт – це середовище, яке неймовірно швидко розвивається, – вказує Пітник, – і ми мало знаємо про те, що роблять сперматозоїди всередині жінки. Це великий, прихований світ. Я думаю, що жіночий репродуктивний тракт – це невивчене поле статевого відбору і видоутворення [процесу, під час якого утворюються нові види]”.

За словами науковця, сексуальний відбір, який відбувається всередині самиці після спарювання, і те, як він керує еволюцією сперматозоїдів, багато в чому залишається загадкою.

“Ми досі мало знаємо про генетику шлюбних стосунків і вподобань”, – каже він.

Підпис до фото, Сперматозоїди настільки крихітні, що їх важко вивчатиА поки одні вчені активно вивчають, як сперматозоїд долає перешкоди, щоб досягти яйцеклітини і запліднити її, інших хвилює, що у сучасних чоловіків знижується якість сперми.

Одне з досліджень свідчить: кількість рухливих сперматозоїдів у середньостатистичного чоловіка за останні 50 років знизилась майже на 59%.

За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ), які оприлюднили 2023 року, приблизно 17,5% дорослого населення світу, або кожна шоста людина, страждає від безпліддя. При цьому, чоловіче безпліддя становить приблизно половину від загальної кількості випадків, вказує ВООЗ.

Вважають, що забруднення довкілля, паління, алкоголь, неправильне харчування, відсутність фізичних вправ і стрес – усе це впливає на чоловіче безпліддя.

Однак для більшості чоловіків, які мають проблеми з фертильністю, причина залишається нез’ясованою.

“Один зі способів дізнатися, чи чоловік безплідний, – зазирнути всередину сперми”, – каже Ханна Морган, яка вивчає здоров’я матері та плоду в Манчестерському університеті.

“Як виглядає ДНК? Як вона сформована? Наскільки фрагментована? Щоб дослідити сперматозоїд, потрібно вивчити цілу низку показників. Але що є хорошим чи поганим виміром, ми насправді не знаємо”.

Можливо, розгадавши таємницю сперматозоїдів та їхнього функціонування, ми зможемо зрозуміти і чоловіче безпліддя, резюмує науковиця.