Achávamos que sabíamos como o espermatozoide nadava, mas era apenas uma ilusão de ótica

O espermatozoide é essencial para a fertilização de quase todos os organismos vivos em nosso planeta, incluindo os humanos. Para se reproduzir, o espermatozoide humano precisa nadar uma distância equivalente a escalar o Monte Everest para encontrar o óvulo.

Eles completam esta jornada épica simplesmente balançando a cauda, movendo o fluido para nadar para a frente. Embora mais de 50 milhões de espermatozoides não cheguem ao óvulo – o equivalente a mais de seis vezes toda a população de Londres ou Nova York – basta um único espermatozoide para fertilizar um óvulo que acabará se tornando um ser humano.

O espermatozoide foi descoberto pela primeira vez em 1677 – mas levou cerca de 200 anos antes que os cientistas concordassem sobre como os humanos são realmente formados.

Os “pré-formacionistas” acreditavam que cada espermatozoide continha um humano minúsculo e miniaturizado – o homúnculo. Eles acreditavam que o óvulo simplesmente fornecia um lugar para o esperma crescer.

Por outro lado, os “epigenesistas” argumentaram que tanto homens quanto mulheres contribuíram para formar um novo ser, e as descobertas nos anos 1700 mostraram mais evidências para essa teoria.

Embora os cientistas agora entendam melhor o papel que os espermatozoides desempenham na reprodução, nossa última pesquisa descobriu que os espermatozoides têm realmente enganado os cientistas o tempo todo.

Um dos primeiros microscópios foi desenvolvido no século 17 por Antonie van Leeuwenhoek. Ele usou uma gota de vidro fundido que cuidadosamente poliu e poliu para criar uma lente poderosa. Alguns deles podem ampliar um objeto 270 vezes. Notavelmente, uma lente melhor não foi criada por mais de 200 anos.

As lentes de Leeuwenhoek fizeram dele o primeiro explorador do mundo microscópico, capaz de ver objetos, incluindo bactérias, o interior de nossas células – e esperma. Quando Leeuwenhoek descobriu o esperma, ele o descreveu como um “animálculo vivo” com uma “cauda que, ao nadar, chicoteia com um movimento de cobra, como enguias na água”.

Surpreendentemente, nossa percepção de como o espermatozoide nada mudou desde então. Qualquer pessoa que use um microscópio moderno ainda faz a mesma observação: os espermatozoides nadam para a frente balançando a cauda de um lado para o outro.

Mas, como mostra nossa última pesquisa, erramos na verdade sobre como os espermatozoides nadam nos últimos 350 anos.

Usando tecnologia de microscopia 3D de última geração, nossa equipe de pesquisadores do Reino Unido e do México foi capaz de reconstruir matematicamente o movimento rápido da cauda do esperma em 3D. Não apenas o tamanho do espermatozoide os torna difíceis de estudar – sua cauda mede apenas metade da largura de um fio de cabelo – eles também são rápidos.

O movimento de chicote da cauda é capaz de ultrapassar 20 braçadas em menos de um segundo. Precisávamos de uma câmera super rápida capaz de gravar mais de 55.000 fotos em um segundo montada em um estágio de oscilação rápida para mover a amostra para cima e para baixo em uma taxa incrivelmente alta – escaneando efetivamente a cauda do esperma enquanto nada livremente em 3D.

O que encontramos nos surpreendeu. Descobrimos que a cauda do esperma é, na verdade, instável e só balança de um lado.

Embora isso deva significar que a braçada unilateral do espermatozoide o faria nadar em círculos, os espermatozoides encontraram uma maneira inteligente de se adaptar e nadar para a frente: eles rolam enquanto nadam, da mesma forma que as lontras se movem na água. Dessa forma, o movimento instável de um lado se equilibra à medida que o esperma rola, permitindo que ele se mova para frente.

O giro rápido e altamente sincronizado do espermatozoide causa uma ilusão quando visto de cima com microscópios 2D – a cauda parece ter um movimento de um lado para o outro.

No entanto, esta descoberta mostra que os espermatozoides desenvolveram uma técnica de natação para compensar sua assimetria. Ao fazer isso, eles também resolveram engenhosamente um quebra-cabeça matemático: criando simetria a partir da assimetria.

O corpo do espermatozoide gira ao mesmo tempo que a cauda gira na direção da natação. O esperma “perfura” o fluido como um pião girando em torno de si mesmo enquanto seu eixo inclinado gira em torno do centro. Isso é conhecido na física como precessão, bem como a precessão dos equinócios em nosso planeta.

Os sistemas de Análise de Sêmen Assistida por Computador (CASA), em uso hoje, tanto em clínicas quanto para pesquisas, ainda usam visualizações 2D do movimento do esperma. Como o primeiro microscópio de Leeuwenhoek, eles ainda têm essa ilusão de simetria ao avaliar a qualidade do sêmen. Simetria (ou a falta dela) é uma característica de identificação que pode afetar a fertilidade.

A história científica da cauda do espermatozoide segue a rota de todas as outras áreas de pesquisa: os avanços na compreensão do movimento do esperma são altamente dependentes do desenvolvimento de tecnologias em microscopia, registro e, agora, modelagem matemática e análise de dados.

A tecnologia de microscopia 3D desenvolvida hoje quase certamente mudará a forma como analisamos o sêmen no futuro.

Esta última descoberta, com seu novo uso de tecnologia de microscópio 3D combinada com matemática, pode fornecer uma nova esperança para desvendar os segredos da reprodução humana. Com mais da metade da infertilidade causada por fatores masculinos, compreender a cauda do esperma humano é fundamental para futuras ferramentas de diagnóstico para identificar espermatozoides prejudiciais e melhorar a fertilidade. A conversa.

Hermes Gadêlha , Professor Sênior de Matemática Aplicada e Modelagem de Dados, University of Bristol .

Artigo originalmente publicado (em inglês) no site Science Alert

Imagem: reprodução Youtube