Тёплый летний день. Прозрачный поток искрится в лучах ласкового солнца. Взгляд приковывает живое «облачко» на мелководье. Целый сонм юрких хвостатых шариков бойко бороздит прибрежные воды. Перед нами знакомая картина: головастики. Серия быстрых взмахов хвостиком-веслом – и стайка уже далеко впереди. Её движение активно и целенаправленно. Основная цель – поиск пищи.
На протяжении почти трёх с половиной веков научный мир был убеждён: сперматозоиды – микроскопическое подобие головастиков. В 1677 году голландский натуралист Антони ван Левенгук открыл и зарисовал их, даже придумав им особое имя: анималькули (т. е.«зверьки» – от лат. animalculum). Под линзами его микроскопиума (да, собственно, и всех 2D-микроскопов вплоть до недавнего времени) энергичные сперматозоиды передвигались, извиваясь из стороны в сторону, подобно малькам или головастикам. «Паразиты», – решил Левенгук. Позднее учёный усомнился и выдвинул новую гипотезу: сперматозоиды – это крошечные капсулы, которые транспортируют уже сформированных человеческих зародышей в женский организм для питания и роста.
Прошло 100 лет. Ладзаро Спалланцани взглянул на семенных «головастиков» под новым углом. Итальянский физиолог воспринял их как своего рода биологический реактив. К такому выводу учёный пришёл на примере лягушек. Самцы выделяют семенную жидкость, покрывающую икру подобно одеялу. По его теории, это «покрывало» запускает развитие эмбрионов, которые уже находятся внутри женских половых клеток (икринок). Доказательством послужил необычный эксперимент. Спалланцани облачил самцов лягушек… в брючки. Через специальные штанишки из тафты сперма на икринки не попадала, оплодотворения не происходило. Головастики на свет не появлялись.
Ещё столетие спустя немецкий эмбриолог Оскар Гертвиг изучал морских ежей. Он установил: сперматозоид и яйцеклетка – равноценные участники оплодотворения. Причём каждый сперматозоид – самостоятельная мужская половая клетка, носитель уникального генетического кода. Передать его внешним касанием невозможно. Необходимо проникнуть в недра женской яйцеклетки напрямую. Поэтому цель марш-броска многомиллионной армии «головастиков» – слияние с её ядром. Чтобы положить начало новой жизни, с помощью активных взмахов хвостиком вправо-влево к сердцу красавицы прорвётся один-единственный смельчак.
Развитие технологий позволило точно проверить уподобление сперматозоидов головастикам. Сегодня мы знаем, что сперматозоиды напоминают головастиков лишь внешне. А в 2020 году научная команда из Англии и Мексики провела совместное исследование мужского семени с помощью 3D-микроскопа и высокоскоростной камеры (до 55 000 кадров/с). Передвигаются они, вовсе не извиваясь из стороны в сторону, как личинки амфибий, а ввинчиваясь в жидкость подобно штопору или выдре в брачном танце. Некоторые исследователи даже сравнивают их заплыв с прецессией небесных тел, т. е. их обращением вокруг своей оси, при котором ось меняет направление.
Такой способ передвижения сперматозоидов производит завихрения в жидкости женской половой системы. Так создаётся дополнительная тяга, которая помогает мужским клеткам разгоняться по прямой траектории (подобно моторной лодке). Ведь как только они «десантируются» в организм женщины на астрономической для клеток скорости 16-18 км/ч, в вязкой среде женской половой системы их движение замедляется. За темпы дальнейшей гонки каждый сперматозоид отвечает уже сам, изо всех сил работая жгутиком.
Сперматозоиды буквально просверливают себе путь против движения жидкости в женских половых органах. На Земле направление её потока определяет сила тяжести.
Этот марафон на предельных скоростях жизненно необходим, ведь на горизонте – сложный путь по целому лабиринту женских органов. Задача каждого спринтера – не только преодолеть расстояние, которое в человеческих пропорциях равно 100 длинам плавательной дорожки олимпийского бассейна (т. е. 5000 м). Необходимо прийти к финишу первым, да ещё и двигаясь против течения!
Но как сперматозоиды понимают, куда именно двигаться? Сперматозоиды движутся не хаотично — их путь направляют таксисы. Сам термин происходит от древнегреческого слова τάξις — «строй», «порядок» — и означает упорядоченное движение в ответ на внешние раздражители.
Во-первых, сперматозоиды реагируют на химические сигналы, в частности – прогестерон, и движутся туда, где концентрация гормона выше. Этот механизм называется хемотаксисом.
Во-вторых, для них важна температура. Они стремятся к более теплым участкам репродуктивного тракта — прежде всего, к маточной трубе, где и происходит оплодотворение. Такое ориентирование называется термотаксисом.
И, наконец, они ориентируются на направление потока жидкости в репродуктивном тракте женщины. Природный инстинкт плыть против течения называется реотаксис. Такова удивительная гидродинамика зарождения новой жизни в земных условиях. А движение жидкости в женском организме и его основной вектор здесь задаёт гравитация.
А как это происходит в космосе?
Сейчас учёные ИМБП изучают, как повлияла радиация и невесомость на эмбрионы японского перепела на МКС. Параллельно их коллеги из Австралии исследовали процесс зачатия в условиях невесомости. Остановимся подробнее на результатах этого недавнего эксперимента, который касается вопроса – рождения первого человека в космосе.
Учёные Университета Аделаиды имитировали условия космического полёта в наземной лаборатории. Образцы спермы трёх видов млекопитающих – человека, мыши и домашней свиньи – поместили в специальную установку, 3D-клиностат. Биоматериал медленно вращался по двум осям: так создавался эффект отсутствия земного тяготения. В этих условиях сперматозоиды проходили через специальный лабиринт микроканалов – модель женской репродуктивной системы. Специалисты наблюдали, насколько успешно они найдут путь к заветной яйцеклетке. Эксперимент показал: вне действия привычной силы тяжести мужские половые клетки теряют ориентацию в пространстве. Цели достигает лишь горстка самых стойких.
Так, находясь в невесомости в специальной лабораторной жидкости при температуре 37 °C, уровне кислорода 5 % и углекислого газа 6 % на протяжении 1 ч, сперматозоиды человека ориентировались в 2-3 раза хуже, чем в обычных условиях. Половые клетки мыши вели себя аналогично. После 2 часов невесомости их способность находить дорогу к яйцеклетке снизилась примерно в 4 раза, а спустя 4 часа они утратили подвижность на пути к финишной прямой примерно в 1,6 раза. В свою очередь, сперматозиоды домашней свиньи в тех же условиях при температуре 38,5 °C оставались такими же подвижными, как и человеческие. При этом интенсивной агглютинации (склеивания) сперматозоидов не произошло. По мнению учёных, это может быть сигналом того, что сперматозоиды свиньи в невесомости претерпевают физиологические изменения.
Исследователи также решили проверить, поможет ли мужским половым клеткам с навигацией их любимый земной «маячок» – гормон прогестерон. Сначала в экспериментальную жидкость добавили 10 µM прогестерона. Сперматозоиды по-прежнему массово заблудились на пути к цели. Увеличение дозы гормона в 10 раз дало результат, близкий к условиям земной гравитации. Учёные отметили его как эффективное средство борьбы с воздействием невесомости в космосе.
Кроме того, экспериментаторы оценили, насколько сперматозоиды человека способны связываться с гиалуроновой кислотой (гиалуронаном) вне поля действия силы тяжести. Эта кислота – важнейший элемент оболочки яйцеклетки. В обычных земных условиях он действует как фильтр: к нему притягиваются только зрелые сперматозоиды. Именно связывание с гиалуроновой кислотой помогает им проникнуть внутрь яйцеклетки. В ходе эксперимента учёные обнаружили: в невесомости мужские половые клетки становятся ещё более способными к соединению с гиалуроновой кислотой. Таким образом, отсутствие гравитации не только не вредит качеству спермы, а, наоборот, улучшает его.
Что касается уровня оплодотворения, после 4 часов невесомости у мышей он упал на 30 %. Однако при этом учёные наблюдали и признаки положительной селекции. Сперматозоидов, добравшихся до яйцеклетки, было меньше, зато они были лучшими из лучших. Помня о дезориентации семени без привычной силы тяжести, время его движения к половым клеткам женских особей увеличили до суток. Показатели оплодотворения сравнялись с земными, но развитие эмбрионов задержалось. Качество 5–6-дневных зародышей (бластоцист) ухудшилось по причине формирования эмбрионов в невесомости в первые 24 часа.
Биообразцы свиньи отреагировали на условия микрогравитации аналогично мышиным. Процент оплодотворенных женских клеток снизился. Но, в отличие от мышей, зародыши свиней оказались и менее способными достичь высокой степени зрелости на 5–6-й день развития. Учёные пришли к выводу: у сперматозоидов домашней свиньи, побывавших в невесомости, меньше шансов добраться до яйцеклетки и оплодотворить её. Однако прорвавшиеся к ней «герои» – самые компетентные.
Теперь перед специалистами стоит новая задача – изучить, как ведут себя сперматозоиды в средах с разным уровнем гравитации. Предстоят эксперименты с имитацией силы тяжести Луны (⅙ земной), Марса (⅓ земной) и других планет Солнечной системы, а также с применением искусственной гравитации. Ведь впереди – жизнь за пределами Земли, которая по-прежнему начинается с встречи двух крошечных клеток в теле будущей матери. Одна из них удивительно похожа на головастика. И, оказывается, способна добраться до своей цели даже в случае отказа всех заложенных природой «средств навигации».
