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

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, прије него што један сперматозоид побиједи 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 тијелу. Резултати воде до револуционарних нових открића, од тога како сперматозоиди заправо пливају до изненађујуће великих промјена које им се дешавају када стигну до женског тијела.

Ћелија као ниједна друга

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

Због огромног спектра функција које се захтијевају 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 захтјеве током ејакулације и путовања дуж женског тракта, све до оплодње.

Сперматозоиди су такође једине људске ћелије које могу да преживе ван тијела, 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 разумијемо“, додаје.

Непознаница и послије 350 година истраживања

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

„Сперматозоиди су невјероватно добро упаковани. 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“, каже Адам Воткинс, ванредни професор репродуктивне и развојне физиологије на Универзитету у Нотингему у Великој Британији.

Наука о сперматозоидима је почела 1677. године, када је холандски микробиолог Антони ван Левенхук, једним од својих 500 ручно рађених микроскопа, видио оно што је назвао „сјеменом животиња“. Закључио је 1683. године да није јајна ћелија та која садржи минијатурног и цијелог човјека, како се раније вјеровало, већ да човјек потиче „од анималкуле у мушком сјемену“. До 1685. године, одлучио је да сваки сперматозоид садржи цијелу минијатурну особу, заједно са сопственом „живом душом“.

Скоро 200 година касније, 1869. године, Јоханес Фридрих Мишер, швајцарски љекар и биолог, проучавао је људска бијела крвна зрнца сакупљена из гноја остављеног на прљавим болничким завојима када је открио оно што је назвао „нуклеин“ унутар језгара. Термин „нуклеин“ је касније промијењен 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 избјегао 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 разумијевање сперме се значајно промијенило. Како су научници почели боље да разумију 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 гдје се сперматозоиди стварају, развој почиње од округле ћелије која изгледа прилично као све остале. Затим пролази кроз драматичну промјену гдје постаје глава сперматозоида са репом. Ниједна друга ћелија у тијелу не мијења своју структуру, свој облик, на тако јединствен начин“, каже Воткинс.

Сперматозоидима је потребно око девет недјеља да достигну зрелост у мушком тијелу. Неејакулирани сперматозоиди на крају умиру и реапсорбују се у тијело. Али срећници ејакулирају - и тада почиње авантура.

Епско путовање

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

Раније се сматрало да се реп сперматозоида - или флагелум - помијера 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 двије 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 пијеску - 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 напријед. Ово је значајно јер разумијевање како се сперматозоиди крећу може помоћи научницима да разумијју мушку плодност.

Како проналазе пут

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

Сперматозоиди који су здрави и крећу се правим путем су ријетки. Многи погрешно скрећу у лавиринту женског тијела - 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 помјерили напријед. 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 спријечило, 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 вријеме прије 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.