Memeli spermleri, yakın çevrenin reolojik ve kimyasal özelliklerine bağlı olan sofistike bir stokastik navigasyon tekniği kullanır. Her birimiz için döllenme, iki gametin birleşerek yeni bir yaşamın gelişimiyle sonuçlanan durdurulamaz bir dizi olayı başlattığı o eşsiz ve önemli andır. Bu üreme yöntemi, tek hücreli canlılardan hayvanlara ve bitkilere kadar ökaryotik yaşam ağacı boyunca devam etmiştir ve genetik çeşitliliği teşvik etmek için gereklidir. Gametlerin karmaşık ve çeşitli bir arazide birbirlerini buldukları kesin olaylar dizisi, yüzyılı aşkın bir süredir bilim insanlarını şaşırtmaktadır. Kabul gören teori, spermlerin yumurta hedeflerine doğru deterministik bir şekilde hareket ettiğini savunur.
Cornell Üniversitesi’nden Meisam Zaferani ve Alireza Abbaspourrad, yakın zamanda yaptıkları bir çalışmada, boğa spermlerinin kemotaktik ipuçlarına yanıt olarak belirli bir bifazik (veya iki parçalı) yüzme stili kullandığını ve bunun da çevredeki sıvının reolojik özellikleriyle düzenlenebileceğini göstermiştir. Bu keşif, spermin dişi üreme kanalının karmaşık sınırlarından rastgele geçtiğine dair ilgi çekici bir hipotez sunuyor.
Bir spermin yaşam mücadelesinde hareketsiz bir yumurtaya doğru inatla yüzdüğünü ve kamçılarının dalgalandığını hayal ederiz. Her ne kadar çekici olsa da, kahramanların bu tasviri her zaman doğru değildir. Öncelikle, siliyatlar ve algler gibi birçok tek hücreli canlıda her iki eş de hareketlidir. Bu durumda döllenmenin zorluğu fiziksel olarak çok büyüktür çünkü arka plandaki gürültü kakofonisiyle mücadele ederken hareketli bir hedefi vurmaya çalışmayı gerektirir.
Peki bu arama ve yakalama sürecinin arkasındaki mekanizma nedir?
Türler arasında ne gibi farklılıklar vardır?
Stokastik mi yoksa deterministik mi?
Döllenme doğada şekilde görüldüğü üzere içsel ya da dışsal olarak gerçekleşebilir.
Açık suda dış döllenme için, deniz omurgasızlarının spermleri bir şekilde uzaktaki bir yumurtayı bulmalı ve onları doğru yöne götürmek için yumurta tarafından üretilen zayıf biyokimyasal ipuçlarına güvenmelidir. Bunun aksine, döllenmenin içselleştirildiği memelilerde sperm hücreleri kimyasal ipuçlarına yanıt verir. Bununla birlikte, dişi üreme yolunun zorlu mikro mimarisini aşarak yumurta kanalına ulaşabilmek için kamçılarının kasılma hızını da değiştirmeleri gerekir ve bu sırada sıklıkla sert rekabetçi seçilime maruz kalırlar.
Duruma ve tercih edilen döllenme yöntemine göre, seyahat eden bir sperm hücresi bu nedenle çeşitli fiziksel ve moleküler etkileşimlere maruz kalacaktır.
Birkaç seçkin tür dışında ve o zaman bile, sadece sinyalleri almak ve yanıtlamakla ilgili bazı moleküller için, çevresel girdiler ile içsel flagellar vuruş ve sonraki yüzme yörüngesi arasındaki kesin işlevsel bağlantı henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Atım modeli ayrıca viskozite, viskoelastisite ve hatta iyonik içerik gibi sıvı ortamının bir dizi fiziksel özelliğinden de büyük ölçüde etkilenebilir.
Zaferani ve Abbaspourrad, boğa sperminin güçlü bir potasyum kanalı engelleyicisi olan 4AP’ye iki viskozite rejiminde nasıl tepki verdiğini izlemek için faz-kontrast görüntüleme ve kontrollü bir mikroakışkan ortamdan yararlandı. İlacın, yumurtanın salgıladığı biyolojik işaretleri kopyalaması gerekiyor.
Araştırmacılar, 4AP konsantrasyonu arttıkça, spermin memeli vücut sıvılarını taklit eden viskoelastik bir tampon içinde giderek daha sıkı daireler çizerek hareket ettiğini buldular. Bu davranış araştırmacılar tarafından “kiral” olarak tanımlandı. Bununla birlikte, spermler viskoelastik senaryoda bulunmayan 4AP içermeyen düşük viskoziteli bir tamponda üç boyutlu bir şekilde ve doğrusal rotalar boyunca hareket etti. Dahası, 4AP konsantrasyonu arttıkça sperm daha aktif hale gelmiş ve yönlülüğünü kaybetmiştir. Bu davranış araştırmacılar tarafından hiperaktif olarak sınıflandırılmıştır. 4AP muhtemelen her iki rejimde de flagellar dinamikleri değiştirerek ve vuruş modelinin asimetrisini ayarlayarak çalıştı.
Bilim insanları spermin kiral ve hiperaktif yüzmesinin hızını, yuvarlanmasını ve flagellar asimetrisini hesaba katmak için bir model oluşturdu.
Daha sonra modeli sperm gözlemlerine uygulayarak yörüngelerin yönelimsel kalıcılık ve yayılma gibi istatistiksel özelliklerini çıkarmışlardır. İlginç bir şekilde, sıvının reolojik özellikleri, baskın hareketlilik modelinin kiral veya hiperaktif olması üzerinde önemli bir etkiye sahipti. Ayrıca, 4AP konsantrasyonu arttıkça her iki fenotip için de etkin difüzivite azalmıştır. Yakın zamanda viskoelastik ortamda yüzen bakterilerde keşfedilen yalpalamadan yüzmeye geçiş, Newtonyen olmayan rejimde üç boyutlu yuvarlanmanın belirgin bir şekilde bastırılmasıyla ilgili olabilir. Zaferani ve Abbaspourrad’a göre, memeli sperminin bifazik hareketlilik stratejisi, yüzme yörüngesinin karışma hızını değiştirerek ve rota difüzivitesini değiştirerek biyokimyasal ve reolojik ipuçlarının bir karışımı kullanılarak ayarlanabilir.
Stokastik bir aramanın, coğrafi olarak heterojen bir ortamda, hücrenin sarmal seyrinin sabit, uzak bir kaynaktan gelen bir uyarana aşamalı olarak hizalandığı deterministik bir aramaya göre daha başarılı olabileceğini öne sürmüşlerdir.
Çeşitli türlerin spermleri yön bulma yöntemlerini ne zaman ve nasıl çeşitlendirmiştir?
Çekirdekli tek hücreli hayvanlar olan erken ökaryotlar, ilk olarak 1 milyar yıldan daha uzun bir süre önce fosil kayıtlarında eşeyli üreme belirtileri göstermiştir. Küçük vücutları termal gürültü tarafından istila edilen küçük prokaryotlar (çekirdeği olmayan tek hücreli canlılar), genellikle koş ve yuvarlan kemotaksisi gibi zamansal karşılaştırmalara dayanan stokastik arama teknikleriyle ilişkilendirilir. Deterministik vergiler daha büyük ökaryotlar için erişilebilirdir. Yine de birkaç aykırı örnek vardır.
Örneğin, hayvanlar aleminin üyeleriyle yakından bağlantılı bir ökaryot olan choanoflagellatlar, daha yüksek çözünmüş oksijen konsantrasyonlarına sahip alanları bulmak için stokastik bir arama tekniği kullanmaktadır [9]. Zaferani ve Abbaspourrad tarafından yapılan araştırma, tüm ökaryotik yaşam ağacını kapsayan ek karşılaştırmalı araştırmaların gerekliliğini vurgulamaktadır.
Bununla birlikte, sperm döllenmede tek başına rol oynamaz. Yumurta kanalını çevreleyen hücreler, spermleri yönlendirmek ve sıralamak için dinamik arka plan akışlarını koordine eden siller veya kıl benzeri yapılar içerir. Spermin mekanik dokunuşa ve viskozite gradyanlarına tepkisi ayrıca kemokinetik tepkilerle etkileşime girebilir. Spermin, ani yeniden yönelimleri gerektiren hiperaktif modun yardımıyla fiziksel kısıtlamalardan kaçabilmesi mümkündür.
Sonuç olarak, sperm ve diğer küçük ökaryotların stokastik kemokinetik davranışları, teorik ve biyomoleküler temelleri olan ve hala keşfedilmemiş bir arama tekniğini temsil etmektedir.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/98
