Движение это жизнь: кинематика сперматозоидов
Человеческий организм можно без преувеличения причислить к ряду самых сложных биологических систем на планете. Наше тело состоит из миллиардов клеток, множества органов и систем. Но все это великолепие и разнообразие возникли благодаря слиянию лишь двух клеток — сперматозоида и яйцеклетки. Думаю, в пояснении, как происходит оплодотворение и что для этого требуется, нет необходимости (подсказка — аисты и капуста тут ни при чем). Но вот некоторые аспекты из жизни сперматозоидов долгие годы оставались неясными. Ученые из Бристольского университета, используя современные методики трехмерной микроскопии, смогли рассмотреть движения сперматозоида так, как это не удавалось ранее. Как и за счет чего движется сперматозоид мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Несмотря на то, что сперматозоиды участвовали в создании жизни задолго до появления научного метода, их путь в научной литературе начался достаточно недавно — в 1677 году. Студент медицинского университета Иоганн Гам поделился своими наблюдениями с коллегой и другом Антони ван Левенгуком (1632 — 1723), который в свою очередь детально рассмотрел и описал «семенных зверьков» (так он назвал сперматозоиды).
Антони ван Левенгук / Ладзаро Спалланцани / Карл Эрнст фон Бэр
Левенгук предположил, что эти необычные клетки участвуют в оплодотворении, однако его теория, хоть и правдивая, была отвергнута научным сообществом. Еще долгое время считалось, что сперматозоиды это паразиты, а оплодотворением занимается исключительно семенная жидкость.
Лишь спустя почти сто лет, в 1786 году, факт участия сперматозоидов в оплодотворении был доказан Ладзаро Спалланцани (1729 — 1799) в его работе «Experiencias Para Servir a La Historia de La Generación De Animales y Plantas». Однако его объяснения самого процесса были достаточно туманны: он считал, что яйцеклетка уже является началом нового организма, а сперма нужна лишь для активации процесса роста.
Сам же термин «сперматозоид» ввел в начале XIX века Карл Эрнст фон Бэр (1792 — 1876).
Что бы там ни думали ученые несколько веков назад, сперматозоиды имеют вполне четкую функцию, выполнение которой обеспечивается рядом специализированных инструментов. Главная задача сперматозоида человека — пройти через половые пути женщины, найти яйцеклетку и передать ей генетический материал мужчины.
Строение сперматозоида
Мужская половая клетка похвастаться габаритами не может, ибо является самой малой в теле человека (если не учитывать хвост): размеры головки составляют 5.0×3.5×2.5 мкм (длина х ширина х высота), длина средней части — 4.5 мкм, а длина хвоста — 45 мкм.
При этом малые размеры не являются минусом, а продуманным аспектом повышения его скорости. В процессе созревания сперматозоида его ядро (несет в себе одинарный набор хромосом) уплотняется, большая часть цитоплазмы выбрасывается, а в клетке остаются только самые важные органеллы.
Вторым по важности после ядра элементом сперматозоида можно без особых сомнений назвать жгутик, т.е. его хвост. Ибо именно благодаря ему осуществляется движения данной клетке по половым путям женщины. Забавно и то, что среда влагалища крайне губительна для мужских половых клеток, однако семенная жидкость частично снижает негативный эффект, воздействующий на сперматозоиды. Уровень рН внутри женских половых путей позволяет направлять движение сперматозоидов по направлению к матке, где их ждет куда более благоприятная среда.
Ранее считалось, что сперматозоид движется вперед за счет симметричного перемещения своего жгутика из стороны в сторону.
Изображение №1: асимметрия движения жгутика в 3D (сверху); плоская проекция движения жгутика, создающая оптическую иллюзию двусторонней симметрии в 2D-микроскопии (снизу).
Это утверждение высказывалось еще во времена Левенгука. А также привело к симметричной идеализации формы волны в трех измерениях, часто воспринимаемой как коническая спираль, похожая на расширяющийся штопор.
Ввиду двумерной микроскопии многие наблюдения были истолкованы неточно, а порой и совсем неверно. Утверждения касательно симметричности взмахов жгутика противоречит многим наблюдениям, показывающим структурную асимметрию внутри каркаса самого жгутика.
Если взмахи жгутика сперматозоида во время движения все же асимметричны, то как тогда достигается симметрия движения жгутика из стороны в сторону и движение клетки по направлению вперед? Именно этот вопрос и является основным в данном исследовании.
Для получения ответа на него, ученые сопоставили молекулярные и микроскопические наблюдения, показавшие, что сперматозоид человека использует как асимметричный, так и анизотропный контроль для регулирования взмахов жгутика. Другими словами, симметрия реализуется за счет асимметрии: возникает эффект «прецессирующего волчка», когда головка вращается («сверля жидкость», слова авторов) одновременно и независимо от того, как жгутик сперматозоида вращается вокруг оси движения.
Результаты исследования
Быстрое движение жгутиков сперматозоидов человека было зарегистрировано с высоким пространственно-временным разрешением в 3D. Были исследованы две группы свободно плавающих сперматозоидов в жидкости с низкой вязкостью: сперматозоиды, плавающие рядом с покровным стеклом (ложится сверху образца во время микроскопии) и вдали от него.
Изображение №2
На 2А и 2С показаны взмахи жгутика сперматозоида, плавающего вблизи и вдали от покровного стекла. Взмахи жгутика характеризуются характерным перекатывающим движением вокруг направления движения сперматозоида.
Комбинированное вращение и поступательное движение жгутика сперматозоидов приводит к спиралевидным траекториям средней точки жгутика с сохраненной хиральностью (отмечено красным на 2А и 2С). Сперматозоиды демонстрируют двунаправленное вращение вокруг своей оси: все свободно плавающие клетки (28 штук) вращались против часовой стрелки, если смотреть с переднего конца (стрелки на 2B и 2D) и лишь 2 клетки вращались по часовой стрелке (они не двигались вперед из-за препятствий на их пути).
Микроскопия сперматозоидов, плавающих рядом с покровным стеклом (соответствует 2А).
Все сперматозоиды (30 клеток) двигались аналогично прецессирующему вращающемуся волчку, в котором вращение головки вокруг продольной оси сперматозоида (ωspin), происходит одновременно и независимо от того, как вращается жгутик относительно оси движения (ωroll).
На 2В и 2D показаны взмахи жгутика с точки зрения сопутствующей системы координат*, то есть в точке обзора, движущейся вместе со сперматозоидом, но не вращающейся вокруг своей оси движения. Это показывает, что взмахи жгутика крайне симметричны как в плоскостном (xy), так и во внеплоскостном (z) направлениях, что соответствует наблюдениям в 3D.
Сопутствующая система отсчета* — система отсчета, связанная с рассматриваемым телом в определенный конкретный момент. Тело внутри этой системы неподвижно. Например, свободно падающий лифт является сопутствующей системой отсчета для свободно падающего в нем тела, а вот Земля не является таковой системой по отношению к телу в лифте.
Проекция траектории середины жгутика (красные линии на 2В и 2D) показывает невероятное множество геометрических узоров, от вращающихся звезд до треугольников, квадратов и петлевых узоров с полярной симметрией. Неправильный узор жгутиков, показанный на 2D для сперматозоидов, плывущих от покровного стекла, также наблюдается и для сперматозоидов, плавающих рядом с покровным стеклом. Такая изменчивость в узорах может быть вызвана несовпадением фазового запаздывания между плоскостными и внеплоскостными компонентами взмаха для каждой клетки, которые увеличиваются во временной шкале перекатывающегося движения. Следовательно, жгутиковые узоры не являются отличительной чертой клеток, плавающих вблизи и далеко от покровного стекла.
Микроскопия и моделирование жгутика, показывающие вращение головки и жгутика вокруг оси движения.
Амплитуда трехмерной волны характеризуется симметричной огибающей в форме пули кривой, в отличие от конической спирали (похожей на расширяющийся штопор), которая часто описывается в литературе. Сперматозоиды, плавающие далеко от покровного стекла, имели более симметричную форму волны, чем клетки, плавающие рядом со стеклом. Таким образом, расположенное рядом покровное стекло является слабым источником асимметрии для взмахов жгутика.
Сперматозоиды, плавающие рядом с покровным стеклом, имели сохраненный угол атаки* -7°, со средней ориентацией жгутика сперматозоидов, направленной к покровному стеклу.
Угол атаки* — угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока (жидкости или газа) и характерным продольным направлением, выбранным на теле.
Изображение №3
На изображении выше показано сравнение взмахов жгутика в сопутствующей системы отсчета (верхний ряд) и сопутствующей системы отсчета качения (нижний ряд).
На 3E показана истинная природа биения жгутика, как видно с точки зрения сперматозоида, без каких-либо сдвигов при плавании и качении.
Сопутствующая система отсчета качения (3E) показывает, что взмахи жгутика являются анизотропными, т.е. характеристики волны в каждом поперечном направлении (перпендикулярные плоскости взмаха), обозначенные »b плоскость» (синяя плоскость) и »z плоскость» (красная плоскость), заметно отличаются.
Если сравнить светло-серые области на синей и красной плоскостях на 3Е, то видно, что взмахи сильно асимметричны в b плоскости и им характерна нарушенная симметрия влево-вправо, напоминающая C-образную форму.
Данное наблюдение сильно контрастирует с симметричными картинами, наблюдаемыми в сопутствующей системе отсчета на 3A.
Форма волны жгутика относительно лабораторной фиксированной системы отсчета (x, y, z).
Анализ основных компонентов (PCA) трехмерной формы волны позволил ученым разложить взмах жгутика на несколько «основных режимов формы», называемых здесь режимами PCA. Трехмерную форму волны можно восстановить с хорошей точностью только с двумя режимами формы, как видно с 3B и 3F.
На 3C видно, что первые два режима PCA идентичны по форме, вплоть до поворота на 90°, таким образом фиксируя обтекаемую спиральную форму, вызванную качением сперматозоидов.
На 3G, однако, внутренняя асимметричная C-форма полностью обнаруживается только первым режимом PCA. Второй режим PCA на 3G (отмечено оранжевым) вносит небольшие отклонения перпендикулярно первому режиму PCA (отмечено синим), указывая на то, что форма волны может быть разложена на два независимых поперечных направления взмаха, анизотропных по своей природе.
Фурье анализ взмахов позволил реконструировать движение жгутика, используя только два режима Фурье на 3D и 3H. Если коротко, то каждый общий сигнал взмаха может быть аппроксимирован простой суммой двух функций:
fr (s, t) ≈ f0(s) + |f1(s)| sin (ωt + φ (s))
Первая функция f0(s) не зависит от времени, его называют «статическим режимом», и он фиксирует усредненную асимметрию сигнала по длине дуги (s) жгутика.
Вторая функция — это синусоидальная бегущая волна, называемая «динамическим режимом», колеблющаяся с частотой, захваченной первым пиком спектра мощности сигнала.
Амплитуда и фазовая модуляция бегущей волны вдоль жгутика равны, соответственно, |f1(s)| и φ (s) = arg (f1(s)).
Таким образом, фаза несет информацию о характеристиках бегущей волны. Например, если фаза φ (s) не изменяется вдоль s, то сигнал не является бегущей волной, а скорее стоячей волной.
Следовательно, статический режим фиксирует любое несоответствие формы сигнала. В таком случае черная прямая линия на 3D отражает симметрию взмаха в плоскостях xy и xz в сопутствующей системе отсчета. Напротив, в сопутствующей системе отсчета качения (3Н) статический режим (черная кривая) характеризуется большой асимметричной амплитудой, напоминающей перевернутую C.
Форма волны жгутика относительно сопутствующей системы отсчета.
Форма волны жгутика относительно сопутствующей системы отсчета качения.
Динамический режим в сопутствующей системе отсчета (красные кривые) на 3D имеет большую амплитуду и является высокосимметричным в плоскостях xy и xz из-за качения сперматозоидов.
А вот динамический режим в сопутствующей системе отсчета качения (красные кривые) на 3H имеет уменьшенную амплитуду формы волны и предпочтительное направление движения.
Фурье-реконструкция формы волны была выполнена за счет суммирования статического и динамического режимов (графики в центре на 3D и 3H), что хорошо согласуется с исходными наблюдениями (графики справа на 3D и 3H).
Изображение №4
Графики выше показывают результаты Фурье анализа трехмерного взмаха жгутика в свободно плавающей популяции сперматозоидов (20 клеток рядом с покровным стеклом и 8 вдали от стекла). В сопутствующей системе отсчета (4А-4С) амплитуды статического режима в обоих направлениях (yc и zc) очень малы (верхний ряд графиков на 4B и 4C) из-за симметрии взмахов.
Кроме того, амплитуда (средний ряд) и фаза (нижний ряд) динамических режимов (yc и zc) на 4B и 4C фиксирует поперечную симметрию и превышает изотропию в этой системе отсчета из-за того, что сперматозоид вращается вокруг оси движения.
Характеристики бегущей волны для обеих координат (yc и zc) одинаковы для всех свободно плавающих клеток: частота 4 Гц, длина волны 100 мкм и скорость волны 400 мкм/с.
В сопутствующей системе отсчета качения (4D-4F) отчетливые статические режимы в b и z плоскостях показывают, что взмахи все же имеют анизотропию в свободно плавающей популяции клеток (4Е и 4F).
Статический режим b плоскости (ycr) сильно асимметричен и смещен в сторону положительных значений (верхний ряд графиков на 4Е). А вот для z плоскости (zcr) он колеблется симметрично вдоль длины дуги синусоидальным образом (верхний ряд на 4F).
Амплитуда динамического режима в b плоскости (y1cr) увеличивается до выхода на плато (средний ряд на 4E), в то время как динамический режим в z плоскости (z1cr) немонотонен по длине дуги (средний ряд на 4F). Характеристики бегущей волны ycr (b плоскость) составили: частота 8 Гц, длина волны 145 мкм и скорость волны 1120 мкм/с. Характеристики бегущей волны zcr (z плоскость): частота 6 Гц, длина волны 1526 мкм, а скорость 5174 мкм/с.
Небольшие изменения фазы на больших расстояниях по всей длине жгутика требуют очень высоких скоростей распространения волн. Следовательно, колебания z плоскости фактически ведут себя как стоячая волна, пульсирующая во времени.
Микроскопия не продвигающихся вперед и крутящихся сперматозоидов.
Совокупность вышеописанных данных говорит о том, что взмахи жгутиков используют два коактивных анизотропных поперечных регулятора, которые не слишком отличаются от бегущих электромагнитных волн. Однако каждая поперечная волна (ycr, zcr) представляет собой сумму статического и динамического режимов: асимметричной бегущей волны вдоль b плоскости (синий на 4D) и симметричной стоячей волны в z плоскости (красный на 4D).
Любопытно (но не удивительно) и то, что наличие рядом с траекторией движения сперматозоида покровного стекла также имеет свое влияние на амплитуду распространения волны.
Изображение №5
Стекло снижает амплитуду распространения волны из-за гидродинамических взаимодействий между жгутиком и твердой поверхностью покровного стекла.
В сопутствующей системе отсчета (5A и 5B) амплитуда обоих динамических режимов (yc, zc) уменьшается по направлению к концевой части жгутика для сперматозоидов рядом с покровным стеклом (графики в центре), в то время как статические режимы остаются без изменений (графики сверху).
Динамический режим zc лишь немного меньше yc (синие кривые) на графиках в центре 5A и 5B. Это контрастирует с симметричными, неизменными профилями обоих (yc, zc) динамических режимов для сперматозоидов, обнаруженных вдали от стекла (красные кривые на графиках в центре 5А и 5В).
Если же обратить внимание на сопутствующую систему отсчета качения, то природа влияния стекла достаточно анизотропна, поскольку оно влияет лишь на одну плоскость качения, т.е. на b плоскость (5C).
Покровное стекло влияет как на статические, так и на динамические режимы ycr (график вверху и в центре на 5С). А вот z плоскость (zcr) остается неизменной (график вверху и в центре на 5D).
Форма статического режима в сопутствующей системе отсчета качения одинакова среди всех сперматозоидов и определяет смещенную от центра правостороннюю спираль, обозначенную h (s) и показанную черной кривой на 5E. Проекция спирали на плоскость качения (зеленая плоскость) представляет собой спираль, направленную против часовой стрелки, которая не имеет полярной симметрии, т.е. смещена в одну сторону (серая проекция на 5E).
Спирали статического режима сильно напоминают логарифмические спирали, которые часто встречаются в природе. Однако в данном случае радиус спирали изменяется немонотонно, увеличиваясь/уменьшаясь с большей скоростью, чем у логарифмических спиралей где-либо еще в природе.
Правосторонняя логарифмическая спираль h (s) на 5E может быть выражена через ее радиус и тангаж (5G), который экспоненциально затухает по длине жгутика. Любое изменение знака в hy или hz приводит к переключению спирали на вращение по часовой стрелке, создавая таким образом левостороннюю спираль. Все свободно плавающие сперматозоиды генерировали спирали против часовой стрелки. Лишь два сперматозоида имели спирали по часовой стрелке, хотя и с формой, идентичной 5E. Именно эти две клетке не могли плыть вперед из-за каких-то препятствий на своем пути, однако могли и дальше вращаться вокруг собственной оси кручения.
Во всех случаях вращение спирали коррелирует с направлением качения сперматозоидов следующим образом: спираль против часовой стрелки для вращения по часовой стрелке (если смотреть с заднего конца) и спирали по часовой стрелке для вращения против часовой стрелки.
Изображение №6
Графики 6А и 6В показывают сложную последовательность бегущих волн, когда жгутик вращается вокруг своей оси качения. Изгибные волны распространяются линейно вдоль жгутика с немонотонной амплитудой по длине дуги, характеризующейся резким увеличением в средней части и дистальных областях.
Кручение формы волны характеризуется резкими поворотами по длине дуги (6B и 6C) с одновременными положительными и отрицательными витками. Спиральная форма центральной линии жгутика подвергается феномену, посредством которого участки противоположной хиральности вдоль жгутика сосуществуют. Однако, части жгутика с противоположной хиральностью перемещаются во время взмахов (6C и 6E). Бегущие волны кручения распространяются с той же скоростью, что и волна кривизны.
Изображение №7
Чтобы лучше понять разницу между результатами трехмерной микроскопии, полученными в данном исследовании, и результатами двумерной микроскопии, которые часто описываются в литературе, ученые создали 2D-проекцию из 3D формы волны.
Статический режим двумерной кривизны весьма незначителен (7F). В 2D не может быть обнаружена внутренняя асимметрия формы сигнала. Вместо этого частотный спектр характеризуется двумя частотными пиками (черные маркеры на 7F), а не одним основным частотным пиком, наблюдаемым для трехмерной кривизны (красная кривая на 7F).
Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые смогли на практике показать, что за счет трехмерной микроскопии можно узнать то, что не даст двумерная — например, увидеть изменения направления спирали (изменения хиральности) во время колебаний жгутиков.
На первый взгляд может показаться, что сперматозоиды просто плывут вперед, покачивая своими хвостами. Однако детальное рассмотрение кинематики этих клеток показало, что этот процесс куда сложнее. Взмахи и покачивания жгутиков, вращение самой клетки — все это в совокупности позволяет сперматозоиду двигаться вперед.
Ранее часть этих сведений была доступна, но не все детали были описаны подробно, ввиду ограниченности двумерной микроскопии. По мнению ученых, понимание того, как именно сперматозоиды двигаются, может сильно помочь в области репродуктивной медицины. В частности новые данные позволят расширить спектр параметров, по которым определяются нездоровые половые клетки мужчины, что является причиной бесплодия у примерно половины пар.
В любом случае, чем лучше мы понимаем те или иные явления и процессы, особенно происходящие в нашем собственном теле, тем больше вероятность улучшить качество нашей жизнь.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
