Plemniki mają kluczowe znaczenie dla zapłodnienia prawie każdego żywego organizmu na naszej planecie, w tym ludzi. Aby się rozmnażać, ludzkie plemniki muszą przepłynąć odległość równoważną wspinaczce na Mount Everest, aby znaleźć komórkę jajową.

Przemierzają tę podróż po prostu poruszając ogonem, poruszając płynem, tak aby płynąć do przodu. Chociaż ponad 50 milionów plemników nigdy nie dotrze do komórki jajowej – czyli ponad sześć razy więcej niż cała populacja Londynu czy Nowego Jorku – do zapłodnienia komórki jajowej, która ostatecznie stanie się istotą ludzką, wystarczy jeden plemnik.

Plemniki zostały odkryte po raz pierwszy w 1677 roku – ale minęło około 200 lat, zanim naukowcy uzgodnili, jak faktycznie powstają ludzie.

Preformizm – jedna z hipotez biologii rozwoju, mająca swe korzenie w XVII wieku, zakładała że każdy plemnik zawiera malutkiego, zminiaturyzowanego człowieka – homunkulusa. Uważali, że jajo po prostu zapewnia miejsce do wzrostu plemników. Z drugiej strony „epigeneciści” argumentowali, że zarówno mężczyźni, jak i kobiety przyczynili się do powstania nowej istoty, a odkrycia dokonane w XVIII wieku wykazały więcej dowodów na poparcie tej teorii.

Chociaż naukowcy lepiej teraz rozumieją rolę, jaką plemniki odgrywają w rozmnażaniu, najnowsze badania wykazały, że plemniki przez cały ten czas oszukiwały naukowców.

W XVII wieku Antonie van Leeuwenhoek, skonstruował jeden z pierwszych mikroskopów. Do tego celu, użył kropli stopionego szkła, które starannie wyszlifował i wypolerował, aby stworzyć potężną soczewkę. Niektóre z nich mogą powiększyć obiekt 270 razy. Co ciekawe, lepszy obiektyw nie powstał przez ponad 200 lat. Soczewki Leeuwenhoeka uczyniły go pierwszym odkrywcą mikroskopijnego świata, który był w stanie zobaczyć przedmioty, w tym bakterie, wnętrze naszych komórek – i plemniki.

Uderzające jest to, że od tamtej pory nie zmieniło się nasze postrzeganie pływania plemników. Każdy, kto dziś używa nowoczesnego mikroskopu, nadal dokonuje tej samej obserwacji: plemniki płyną do przodu, poruszając ogonem z boku na bok.

Ale jak pokazują najnowsze badania, myliliśmy się co do tego, jak plemniki pływają przez ostatnie 350 lat.

Korzystając z najnowocześniejszej technologii mikroskopii 3D, zespół naukowców z Wielkiej Brytanii i Meksyku był w stanie matematycznie zrekonstruować szybki ruch ogona plemnika w 3D.

Odkryto, że ogon plemnika porusza się tylko po jednej stronie. Chociaż powinno to oznaczać, że jednostronny ruch plemnika sprawiłby, że pływałby w kółko, plemniki znalazły sprytny sposób na przystosowanie się i pływanie do przodu: toczą się podczas pływania, podobnie jak wydry korkociągowe w wodzie. W ten sposób chwiejne jednostronne uderzenie wyrównuje się, gdy plemniki toczą się, umożliwiając jej ruch do przodu.

Szybkie i wysoce zsynchronizowane obracanie się plemników powoduje iluzję, gdy widzimy je z góry za pomocą mikroskopów 2D – ogon wydaje się poruszać z boku na bok. Jednak najnowsze odkrycie pokazuje, że plemniki rozwinęły technikę pływania. W ten sposób genialnie rozwiązali także matematyczną zagadkę: tworząc symetrię z asymetrii.

Postęp w zrozumieniu ruchu plemników w dużym stopniu zależy od rozwoju technologii mikroskopii, analizy, a obecnie modelowania matematycznego i analizy danych.

Opracowana dzisiaj technologia mikroskopii 3D prawie na pewno zmieni sposób, w jaki analizujemy nasienie w przyszłości.

To najnowsze odkrycie, dzięki nowatorskiemu wykorzystaniu technologii mikroskopu 3D w połączeniu z matematyką, może dać nową nadzieję na odkrycie tajemnic reprodukcji człowieka. Ponieważ ponad połowa przypadków niepłodności jest spowodowana czynnikami męskimi, zrozumienie prawidłowości ruchu plemników człowieka ma fundamentalne znaczenie dla przyszłych narzędzi diagnostycznych i poprawy płodności.

Artykuł na podstawie:
Hermes Gadêlha i wsp. Human sperm uses asymmetric and anisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering Science Advances 31 Jul 2020:Vol. 6(31) DOI: 10.1126/sciadv.aba5168.