Плодовые мушки Drosophila melanogaster удивляют: их сперматозоиды достигают длины взрослой особи, но не превращаются в бесконечный ком узлов. Новое исследование объясняет, как тысячи метровых по масштабу хвостов умудряются храниться и передвигаться в крошечных полостях репродуктивной системы, оставаясь расправленными и готовыми к оплодотворению.
Гигантские сперматозоиды и тесные хранилища
Взрослая плодовая мушка — всего около двух миллиметров в длину, но их сперматозоиды могут быть столь же длинными, а хвосты занимают большую часть этой длины. При этом тысячи таких клеток помещаются в семенном пузырьке самца, объём которого составляет примерно 200 микрометров. Теоретически такая комбинация «длинные объекты — маленький контейнер» должна приводить к хаосу, как с проволочными наушниками, запутавшимися в кармане. Но в организме мушки всё иначе: длинные хвосты остаются организованными и не образуют узлов.
Как движение спасает от узлов
Чтобы понять механизм, исследователи пометили головки и хвосты сперматозоидов флуоресцентным красителем и изучили их при помощи трёхмерной электронной микроскопии. Кадры показали, что сперматозоиды плотно выстроены в пучки и не лежат неподвижно: они участвуют в коллективных движениях, которые исследователи называют потоками. Эти потоки охватывают весь семенной пузырёк и могут сохраняться часами.
Каждая клетка, по сути, движется мимо соседей так, словно автомобили едут по шоссе в противоположных направлениях. Но ключевое отличие в том, что «шоссе» сами по себе изгибаются и медленно складываются, тогда как отдельные «машины» — головки и хвосты — продолжают быстро двигаться внутри этих плавных контуров. Такая динамика позволяет клеткам толкать друг друга, удерживая хвосты в натянутом состоянии вместо того, чтобы они провисали и спутывались.
«Каждый сперматозоид генерирует волны изгибов вдоль длинного хвоста, но хвосты в коллективе движутся медленнее, образуя спокойный, медленно текущий поток», — говорит Джасмин Имран Алсус, вычислительная биолог из Центра вычислительной биологии. По её словам, контактные взаимодействия и отталкивания между клетками создают механическое натяжение, которое предотвращает образование клубков.
Авторам также удалось наблюдать, что эти коллективные движения происходят не только у самцов, но и в репродуктивной системе самок, где сперматозоиды тоже хранятся в ограниченном пространстве. Такой режим хранения повышает вероятность успешного оплодотворения: при сохранении порядка и готовности клеток к действию шансы на воспроизводство растут.
Учёные сравнивают эту задачу с другими биологическими примерами хранения длинных структур в ограниченном объёме: шесть футов ДНК укладываются в ядре клетки, а тонкий кишечник человека умещается в теле путём сложной упаковки. В случае сперматозоидов решающую роль играет активность самих клеток — они не пассивны, а активно создают движение, которое защищает их от спутывания.
Результаты опубликованы в журнале Nature Physics. Они меняют привычную картину «одинокого» сперматозоида, плавающего в жидкости: для плодовой мушки важнее коллективная динамика, возникающая из взаимодействия соседей, чем индивидуальное направленное плавание.
