Mysteriet om, hvordan sæd svømmer afsløret i matematisk formel

Forskere har udviklet en matematisk formel baseret på den rytmiske bevægelse af sædens hoved og hale, hvilket reducerer kompleksiteten ved at forstå og forudsige, hvordan sædceller gør den vanskelige rejse mod befrugtning af et æg betydeligt.

Forskere ved universiteterne i York, Birmingham, Oxford og Kyoto University, Japan, fandt ud af, at sædens hale skaber en karakteristisk rytme, der skubber sædcellen fremad, men trækker også hovedet bagud og sidelæns på en koordineret måde.

Vellykket frugtbarhed afhænger af, hvordan en sæd bevæger sig gennem væske, men at fange detaljer om denne bevægelse er et kompliceret problem.

Teamet sigter mod at bruge disse nye fund til at forstå, hvordan større grupper af sædceller opfører sig og interagerer, en opgave, der ville være umulig ved hjælp af moderne observationsteknikker. Arbejdet kunne give ny indsigt i behandling af mandlig infertilitet.

Forenkle problemet

Dr. Hermes Gadêlha, fra University of Yorks Institut for Matematik, sagde:"For at observere, i mikroskalaen, hvordan en sæd opnår fremdrift fremad gennem væske, sofistikerede mikroskopiske højpræcisionsteknikker anvendes i øjeblikket.

"Målinger af spermens haleslag føres ind i en computermodel, som derefter hjælper med at forstå væskestrømningsmønstrene, der skyldes denne bevægelse.

"Numeriske simuleringer bruges til at identificere strømmen omkring sæden, men da væskens strukturer er så komplekse, dataene er særligt udfordrende at forstå og bruge. Omkring 55 millioner sædceller findes i en given prøve, så det er forståeligt nok meget svært at modellere, hvordan de bevæger sig samtidigt.

"Vi ønskede at oprette en matematisk formel, der ville forenkle, hvordan vi løser dette problem og gøre det lettere at forudsige, hvor store mængder sædceller svømmer. Dette ville hjælpe os med at forstå, hvorfor nogle sædceller lykkes, og andre mislykkes."

Koordineret rytme

Ved at analysere sædens hoved- og halebevægelser, forskere har nu vist, at sædcellerne flytter væsken på en koordineret rytmisk måde, som kan fanges for at danne en relativt simpel matematisk formel. Det betyder, at komplekse og dyre computersimuleringer ikke længere er nødvendige for at forstå, hvordan væsken bevæger sig, mens sæden svømmer.

Undersøgelsen viste, at sædcellerne skal foretage flere modstridende bevægelser, såsom at bevæge sig baglæns, for at drive det frem mod ægget.

Den pisklignende hale af sædcellen har en særlig rytme, der trækker hovedet bagud og sidelæns for at skabe en rykende væskestrøm, modvirker noget af den intense friktion, der skabes på grund af deres diminutive størrelser.

Mirakuløs

Dr Gadêlha sagde:"Det er rigtigt, når forskere siger, hvor mirakuløst det er, at en sæd nogensinde når et æg, men menneskekroppen har et meget sofistikeret system til at sikre, at de rigtige celler kommer sammen.

"Du vil antage, at de sartede bevægelser af sædcellerne ville have en meget tilfældig indvirkning på væskestrømmen omkring den, gør det endnu vanskeligere for konkurrerende sædceller at navigere igennem det, men faktisk ser du veldefinerede mønstre i væsken omkring sædcellerne.

"Dette tyder på, at sæd omrører væsken rundt på en meget koordineret måde for at opnå bevægelse, ikke alt for ulige den måde, hvorpå magnetfelter dannes omkring magneter. Så selvom væskemodstanden gør det meget svært for sædcellerne at bevæge sig fremad, den koordinerer med sine rytmiske bevægelser for at sikre, at kun få udvalgte opnår fremdrift fremad. "

Nu hvor teamet har en matematisk formel, der kan forudsige væskebevægelsen af ​​en sæd, næste trin er at bruge modellen til forudsigelser på et større antal celler. De tror også, at det vil få konsekvenser for nye innovationer inden for infertilitetsbehandling.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .