Ein neues mathematisches Modell sagt voraus, dass Säugetierspermien zwei unterschiedliche Schwimmmodi haben. Diese Vorhersage wirft neue Fragen zu möglichen Zusammenhängen zwischen der motorischen Aktivität der Spermien und ihren Übergängen in Hyperaktivierungsphasen auf, die möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Befruchtung spielen. Der Befund ist Teil eines größeren Versuchs, mithilfe von Mathematik und Fluiddynamik zu beschreiben, wie sich Säugetierspermien bewegen
Die Forschung wird von einem Team von Ingenieuren der University of California San Diego geleitet und die Arbeit wird in Kürze in der Zeitschrift veröffentlicht Flüssigkeiten zur körperlichen Untersuchung und ein Vorabdruck ist derzeit auf der verfügbar arXiv Server.
Säugetierspermien treiben sich selbst an, indem sie ihre Flagellen hin und her schlagen, dank chemisch angetriebener Motoren, die Wellen entlang ihrer Flagellen, die fadenförmige Anhängsel sind, antreiben.
Das neue Modell einer schwimmenden Samenzelle der Forscher erfasst die Wechselwirkungen zwischen ihrer motorischen Kinetik und Formveränderungen (Deformationen) der Flagellen sowie den Bewegungen des Kopfes der Samenzelle. Das Modell berücksichtigt auch die komplexe Strömungsmechanik um die Samenzelle herum, während sie sich bewegt.
Video eines neuen mathematischen Modells, das vorhersagt, dass Säugetierspermien zwei unterschiedliche Schwimmmodi haben. Diese Vorhersage wirft neue Fragen zu möglichen Zusammenhängen zwischen der motorischen Aktivität der Spermien und ihren Übergängen in Hyperaktivierungsphasen auf, die möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Befruchtung spielen. Der Befund ist Teil eines größeren Versuchs, mithilfe von Mathematik und Fluiddynamik zu beschreiben, wie sich Säugetierspermien bewegen. Die Forschung wird von einem Team von Ingenieuren der University of California San Diego geleitet. Die neue Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Flüssigkeiten zur körperlichen Untersuchung am 15. November 2023. Bildnachweis: UC San Diego / David Saintillan
Dieses neue Modell sagt voraus, dass die Schwimmgeschwindigkeit einer Säugetierspermazelle nicht einfach zunimmt, wenn die Aktivität ihrer chemischen Motoren zunimmt. Wenn stattdessen die motorische Aktivität einer schwimmenden Samenzelle zunimmt, überschreitet diese motorische Aktivität einen Schwellenwert, an dem ein zweiter, ausgeprägter Schwimmmodus entsteht. Es ist dieser zweite Modus, der möglicherweise mit einer Hyperaktivierung der Spermien verbunden sein könnte.
Im Schwimmmodus eins schwingt der Kopf der Säugetierspermazelle stärker hin und her als im Schwimmmodus zwei. Im Schwimmmodus zwei ist der wellenförmige Schlag der Geißel stärker als im Schwimmmodus eins.
„Obwohl wir nicht mit Sicherheit sagen können, dass dieses neue Modell das Phänomen der Spermienhyperaktivierung vorhersagt, das häufig unmittelbar vor der Befruchtung auftritt, handelt es sich auf jeden Fall um eine interessante Möglichkeit. Ich hoffe, dass weitere Untersuchungen klären werden, ob der in unserem Modell beobachtete Motilitätsübergang tatsächlich damit zusammenhängt.“ zu einer Hyperaktivierung der Spermien führen“, sagte David Saintillan, Professor an der UC San Diego, korrespondierender Autor der neuen Arbeit und Forscher für Strömungsmechanik in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Jacobs School of Engineering der UC San Diego.
„Es gibt so viele Möglichkeiten für Ingenieure und Mathematiker, zu unserem Verständnis der Biologie beizutragen. Immer mehr Modelle, an denen wir beispielsweise im Bereich der Fluiddynamik arbeiten, erweisen sich als wichtige Werkzeuge zum Verständnis der Dynamik biologischer Systeme.“ „In manchen Fällen können wir mit Modellen Mechanismen oder Hypothesen testen, die experimentell nicht einfach zu beantworten sind. In solchen Situationen können Modelle äußerst nützlich sein“, sagte Saintillan.
Die Untersuchung der Mechanismen, die an der Fortbewegung von Säugetierspermien beteiligt sind, sei ein Beispiel für ein Problem, bei dem Modelle neben Experimenten eine Schlüsselrolle gespielt hätten, bemerkte Saintillan. „Man kann die Aktivität der Motoren in lebenden Spermien nicht durch Drehen eines Knopfes steuern, aber mit einem Modell wie unserem kann man die motorische Aktivität von Spermien beschleunigen oder verlangsamen und sehen, wie sich die Fortbewegung verändert.“
Mehr Informationen:
Chenji Li et al.: Ein chemomechanisches Modell der Spermienbewegung zeigt zwei Arten des Schwimmens: Flüssigkeiten zur körperlichen Untersuchung (2023). An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2210.06343