การศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์ 3 มิติครั้งใหม่พลิกโฉมวิทยาศาสตร์การสืบพันธุ์หลายร้อยปี
ในปี ค.ศ. 1677 Anton van Leeuwenhoekนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์และผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์แบบผสมตัว แรก ได้กดดันเพื่อนร่วมงานของเขาและใช้เครื่องมือนี้เพื่อตรวจสอบน้ำอสุจิของเขาเอง “สัตว์” ที่บิดตัวไปมาที่เขาอธิบายจะเป็นที่รู้จักในชื่อเซลล์อสุจิหรือตัวอสุจิ แต่ละคนมีหัวที่โค้งมนและ Van Leeuwenhoek คิด หางที่เคลื่อนไปทางด้านข้างเพื่อฉายผ่านของเหลว จนถึงขณะนี้ แทบทุกอย่างที่นักวิทยาศาสตร์รู้เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของสเปิร์มของมนุษย์นั้นขึ้นอยู่กับข้อสังเกตดั้งเดิมของ Van Leeuwenhoek แต่บทความที่ตีพิมพ์ในวันนี้ในScience Advancesได้เปลี่ยนข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับการสืบพันธุ์ไปประมาณ 350 ปี ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่สุดของหน้าที่ทางชีววิทยา
Scott Pitnickนักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการที่ศึกษาชีววิทยาของอสุจิที่มหาวิทยาลัย Syracuse กล่าวว่า “มีเพียงข้อมูลที่ผิดอย่างสมบูรณ์ในเกือบทุกประวัติศาสตร์ของการทำความเข้าใจเกี่ยวกับชีววิทยาการทำงานของตัวอสุจิ และจำเป็นต้องได้รับการแก้ไข แต่นี่เป็นความท้าทายที่แท้จริง” การเรียน. “และนี่เป็นหนึ่งในการศึกษาแรกๆ ที่นำไปสู่ความท้าทายนั้นจริงๆ และไขปัญหาที่ซับซ้อนได้”
ทีมนักวิจัยนานาชาติจากมหาวิทยาลัยบริสตอลในอังกฤษและ Universidad Nacional Autonoma de Mexico ใช้กล้องจุลทรรศน์ 3 มิติและการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง ค้นพบว่าการเคลื่อนไหวเหมือนงูของหางอสุจิของมนุษย์เป็นภาพลวงตา หางของตัวอสุจิจะหมุนไปในทิศทางเดียวเท่านั้น แทนที่จะเคลื่อนที่จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง หากไม่มีการปรับเปลี่ยนอื่นๆ จังหวะข้างเดียวจะส่งผลให้อสุจิว่ายเป็นวงกลมและไม่มีวันไปถึงจุดหมาย นั่นคือไข่เพศเมีย เพื่อชดเชย นักวิทยาศาสตร์พบว่าร่างกายหรือหัวของอสุจิหมุนอย่างอิสระในลักษณะคล้ายเกลียวหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม ทำให้ทั้งเซลล์เคลื่อนที่ไปข้างหน้าเป็นเส้นตรง
Hermes Gadêlha หัวหน้าห้องทดลอง Polymaths แห่งมหาวิทยาลัยบริสตอล กล่าวว่า “เราไม่ได้คาดหวังว่าจะพบสิ่งที่เราพบ” “เป้าหมายของโครงการนี้คือการวิจัย ‘ท้องฟ้าสีฟ้า’ [หรือกว้างๆ] เพื่อทำความเข้าใจว่าสเปิร์มเคลื่อนที่อย่างไรในสามมิติ และผลที่ได้ก็เปลี่ยนระบบความเชื่อที่เรามีอย่างสิ้นเชิง”
ข้อจำกัดของคำอธิบายของ Van Leeuwenhoek เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอสุจิไม่ใช่ความผิดของเขาเอง เขาใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดในขณะนั้น “เพื่อดูการเคลื่อนไหวที่แท้จริง คุณจะต้องว่ายน้ำกับเซลล์ และวิธีที่คุณทำเช่นนี้ เกือบจะเหมือนกับว่าคุณจะได้กล้อง GoPro มาติดไว้ที่หัวของสเปิร์มแล้วมองที่หาง” กาเดลฮากล่าว
เพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจนว่าเซลล์อสุจิเคลื่อนที่อย่างไร กาเดลฮาและทีมของเขาจึงแขวนสเปิร์มในแนวตั้งในสารละลาย พวกเขาวางสารละลายสเปิร์มในกล้องจุลทรรศน์ 3 มิติที่มีความเสถียรเพื่อสแกนหาการเคลื่อนไหวในขณะที่กล้องความเร็วสูงบันทึกมากกว่า 55,000 เฟรมต่อวินาทีในหลายมุม พวกเขายังติดอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน ความเร่ง และแรงด้วยการแปลงคุณสมบัติเหล่านี้เป็นประจุไฟฟ้า—เป็นกล้องจุลทรรศน์สามมิติ อุปกรณ์ดังกล่าวรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของตัวอสุจิที่ระดับความละเอียดต่ำกว่าไมครอน ซึ่งเล็กกว่าหนึ่งในล้านของเมตร ด้วยการเรียกใช้ข้อมูลที่รวบรวมจากเครื่องจักรทั้งหมดผ่านการแปลงทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นหาค่าเฉลี่ยการเคลื่อนที่และ “ดู” ทิศทางที่แท้จริงของหางได้
เซลล์อสุจิแต่ละเซลล์เคลื่อนที่เหมือนลูกหมุน หมุนรอบแกนของตัวเอง และรอบแกนกลางด้วย “สิ่งที่ธรรมชาติกำลังบอกเราก็คือมีมากกว่าหนึ่งวิธีในการทำให้เกิดความสมมาตร” กาเดลฮากล่าว “สเปิร์มใช้ความไม่สมมาตรเพื่อสร้างสมมาตร”
สเปิร์มของมนุษย์ไม่ใช่จุลินทรีย์เพียงชนิดเดียวที่ทำงานในลักษณะนี้—สเปิร์มของหนูและหนู และแฟลกเจลลาของคลา มีโดโมแน ส ซึ่งเป็นสาหร่ายสีเขียวชนิดหนึ่ง ยังมีการเคลื่อนไหวที่ไม่สมมาตรและรูปร่างที่ไม่สมมาตรอยู่เบื้องล่าง กาเดลฮากล่าวว่าสิ่งนี้อาจบ่งบอกถึงความเป็นสากลในโครงสร้างองค์กรข้ามสายพันธุ์
การเคลื่อนไหวของอสุจิเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการว่ายน้ำหรือไม่นั้นยากที่จะหาจำนวน “เราชอบคิดว่าธรรมชาติกำลังปรับปรุงสิ่งต่าง ๆ แต่เราต้องจำไว้เสมอว่ามีหลายแง่มุมที่แข่งขันกัน เซลล์สเปิร์มไม่ได้สร้างมาเพื่อว่ายน้ำและหาไข่เท่านั้น แต่ยังต้องหาตัวชี้นำทางเคมี ตอบสนองต่อความหนืดต่างๆ กระตุ้น” กาเดลฮากล่าว “ในทุกขั้นตอน คุณต้องการพลังพิเศษใหม่ที่ช่วยให้คุณทำสิ่งเหล่านี้ได้”
เพื่อทำความเข้าใจวิวัฒนาการของกลไกโครงสร้างภายในสิ่งมีชีวิต Pitnick กล่าวว่าเป็นการทำความเข้าใจแนวคิดทางชีววิทยาที่คุ้นเคยของฟังก์ชันการปรับรูปแบบ รูปทรงของบางสิ่งถูกออกแบบมาสำหรับงานที่ทำ เพื่อให้เข้าใจสเปิร์มอย่างแท้จริง จะต้องสังเกตสเปิร์มในสภาพแวดล้อมที่ตั้งใจและคัดเลือกมา นั่นคือระบบสืบพันธุ์เพศหญิง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติมด้วย “ตัวเมียเป็นสภาพแวดล้อมสามมิติที่ซับซ้อน” พิทนิคกล่าว “และเราไม่รู้เรื่องนี้มากนัก และส่วนหนึ่งนั่นเป็นเพียงความลำเอียงเชิงประวัติศาสตร์ที่หยาบคายของผู้ชายในการทำชีววิทยา”
แพทย์คิดว่าการค้นพบครั้งใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนไหวของอสุจิสามารถช่วยรักษาภาวะมีบุตรยากได้อย่างไร ซึ่งเป็นภาวะที่ส่งผลกระทบต่อคู่รักประมาณ 50 ล้านคู่ทั่วโลก ปัจจัยทางชีววิทยาของผู้ชายเป็นผู้รับผิดชอบโดยเฉลี่ย 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ของกรณีภาวะมีบุตรยาก และมีส่วนทำให้ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์โดยรวม ถึงกระนั้น สถิติเหล่านี้มีความเอนเอียงตามประเทศที่ข้อมูลจาก IVF และการรักษาภาวะเจริญพันธุ์อื่นๆ เป็นเรื่องปกติ ดังนั้นปัจจัยของอสุจิอาจมีนัยสำคัญมากกว่าที่บันทึกไว้ “[ภาวะมีบุตรยากในผู้ชาย] เป็นเรื่องปกติธรรมดา และอาจพบได้บ่อยกว่าที่คนทั่วไปคิด” คอรี ตันริกุต กล่าวผู้เชี่ยวชาญด้านระบบทางเดินปัสสาวะร่วมกับ Shady Grove Fertility Center ในรัฐแมริแลนด์ “และตอนนี้ ถ้าคุณต้องการคิดเกี่ยวกับการศึกษานี้ ขณะนี้ เรามีวิธีการจำกัดในการปรับปรุงหรือเพิ่มประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ของอสุจิจริงๆ”
ยิ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจอณูชีววิทยาพื้นฐานของการเคลื่อนไหวของอสุจิได้อย่างแม่นยำมากขึ้นเท่าใด แพทย์ก็จะสามารถแก้ไขปัญหาการเคลื่อนไหวที่เกี่ยวข้องกับภาวะมีบุตรยากได้ดีขึ้นเท่านั้น Tanrikut กล่าว เธอหวังว่าความรู้ที่ได้รับจากการทำงานภาคสนามในอนาคตจะช่วยให้เธอเสนอทางเลือกในการรักษาภาวะเจริญพันธุ์ที่ก้าวร้าวน้อยลง หรือแม้กระทั่งเพิ่มโอกาสในการตั้งครรภ์โดยไม่ได้รับความช่วยเหลือ
นัยของกาเดลฮาและการค้นพบของทีมอาจไปไกลกว่าขอบเขตของสิ่งที่การศึกษานี้แสดงให้เห็นเกี่ยวกับสเปิร์ม เซลล์ที่เป็นสิ่งมีชีวิตทำการคำนวณและแก้ไขโดยไม่รู้ตัว โดยปรับรูปแบบแรงบิดและการเคลื่อนไหวขึ้นอยู่กับสภาวะรอบๆ การทำความเข้าใจกลไกเหล่านี้สามารถแจ้งการวิจัยหุ่นยนต์ที่อ่อนนุ่มและวัสดุศาสตร์ได้ ตัวอย่างเช่น นักเรียนคนหนึ่งของกาเดลฮากำลังมองหาว่าการสั่นเล็กน้อยที่ตรวจจับไม่ได้ของร่างกายจะมีประโยชน์อย่างไรในการพัฒนาอวัยวะเทียมที่เท้าและข้อเท้า
