De staart van sperma beweegt erg snel in drie dimensies, en niet van links naar rechts in twee dimensies zoals gedacht.
Polymaths-lab.com

Hoe sperma echt zwemt: nieuw onderzoek stelt eeuwenoude aanname in vraag

Menselijk sperma zwemt niet door zijn staart van links naar rechts te bewegen, zoals eeuwenlang gedacht werd. Uit nieuw onderzoek met een ultramoderne 3D-microscoop blijkt dat de zweepstaart maar één richting uitgaat. Om te vermijden dat het sperma daardoor in een cirkeltje zou zwemmen, draait de zaadcel tegelijk om haar as. Volgens de onderzoekers kunnen de bevindingen op termijn leiden tot betere behandelingen voor mannelijke onvruchtbaarheid.

Meer dan 300 jaar geleden gebruikte de Nederlandse wetenschapper Antoni van Leeuwenhoek een van de eerste microscopen om menselijk sperma te onderzoeken. Hij beschreef het als "met een staart, die, bij het zwemmen, zwiept met een slangachtige beweging, zoals alen in het water". 

Nog steeds wordt algemeen aangenomen dat de staart zich in één vlak van rechts naar links beweegt, maar uit nieuw onderzoek blijkt dat dit gezichtsbedrog is. 

Met ultramoderne 3D-microscopen en mathematische modellen hebben doctor Hermes Garcia van de University of Bristol en doctor Gabriel Corkidi en doctor Alberto Darszon van de Universidad Nacional Autónoma de México de echte beweging van het zweepstaartje van sperma in drie dimensies gereconstrueerd.

Ze gebruikten een hogesnelheidscamera die 55.000 beelden per seconde kan nemen en een objecttafel voor de microscoop met een piëzo-elektrisch instrument dat het staal aan een bijzonder hoge snelheid op en neer kan bewegen. Daarmee waren ze in staat om het sperma nauwkeurig te onderzoeken terwijl het vrij rondzwom in drie dimensies. (Piezo-elektriciteit werkt met het principe dat som­mi­ge kris­tal­len elek­tri­sche la­din­gen ­krij­gen op bepaalde plaatsen als er op gedrukt wordt of aan getrokken.)

Voorstelling van spermatozoïden die naar een onbevruchte eicel zwemmen.

Symmetrie creëren uit asymmetrie

De baanbrekende studie, zoals de onderzoekers ze noemen, toont aan dat de staart van het sperma in feite nogal krakkemikkig is en slechts naar één kant wiebelt. Normaal gezien zou dat moeten maken dat sperma door die eenzijdige beweging in een cirkeltje rondzwemt, maar sperma heeft een slimme manier gevonden om zich daaraan aan te passen en toch vooruit te zwemmen. 

"Menselijke spermatozoïden zijn er achter gekomen dat, als ze ronddraaien terwijl ze zwemmen, dat dan hun eenzijdige 'zwemslagen' gecompenseerd zouden worden en ze vooruit zouden zwemmen, zoals speelse otters een schroefbeweging door het water maken", zei doctor Gadelha, het hoofd van het Polymaths Laboratory van de University of Bristol en een expert in de wiskundige aspecten van de vruchtbaarheid. 

De snelle en zeer gesynchroniseerde ronddraaiende beweging van het sperma creëert een optische illusie als ze van bovenaf bekeken wordt met een 2D-microscoop - de staart lijkt een symmetrische beweging van links naar rechts te maken, zoals in de beschrijving uit de 17e eeuw van Van Leeuwenhoek: "als alen in water". 

"Onze ontdekking toont echter dat zaadcellen een speciale zwemtechniek ontwikkeld hebben om hun eenzijdigheid te compenseren en dat ze daarbij op een ingenieuze manier een wiskundige puzzel hebben opgelost door symmetrie te creëren uit asymmetrie", zei Gadelha.

"Het otterachtige ronddraaien van menselijk sperma is echter complex: de kop van de zaadcel draait rond terwijl ook de staart ronddraait rond de as van de zwemrichting. Dat staat in de fysica bekend als precessie, iets wat ook optreedt bij de banen van de aarde en Mars rond de zon."

De staart van sperma volgt een draaiende baan die onderhevig is aan precessie en dat neutraliseert de eenzijdigheid van de zwemslagen van de staart in een ingenieuze schroefvormige beweging.
Polymaths-lab.com

Vruchtbaarheidsproblemen

De systemen die met de hulp van een computer vandaag gebruikt worden voor semenanalyse - een test om de vruchtbaarheid van een man te bepalen -, zowel in ziekenhuizen als voor wetenschappelijk onderzoek, gebruiken nog steeds 2D-beelden om naar de bewegingen van het sperma te kijken.

Daardoor hebben ze nog steeds last van de optische illusie van symmetrie, net als de vroege microscoop van Van Leeuwenhoek, bij het vaststellen van de kwaliteit van het sperma. De onderzoekers hopen dat hun ontdekking, dankzij het gebruik van 3D-microscooptechnologie, kan helpen om de geheimen van de menselijke voortplanting te ontsluieren. 

"Meer dan de helft van de onvruchtbaarheid wordt veroorzaakt door mannelijke factoren en begrijpen hoe de staart van menselijk sperma werkt is dan ook fundamenteel voor het ontwikkelen van toekomstige diagnose-instrumenten om ongezond sperma te identificeren", zei Gadelha die in eerder onderzoek al de biomechanische factoren had blootgelegd van de buigzaamheid van sperma en de precieze ritmische eigenschappen die karakteriseren hoe sperma zich vooruit beweegt. 

Doctor Corkidi en doctor Darszon van hun kant ontwierpen de 'grensverleggende' technologie voor de 3D-microscoop waarmee de waarnemingen gedaan werden. 

"Dit was een ongelooflijke verrassing, en we denken dat onze ultramoderne 3D-microscoop nog veel meer verborgen geheimen in de natuur zal blootleggen", zei Corkidi. "Eens zal deze technologie ook beschikbaar zijn voor klinische centra."

"Deze ontdekking zal ons begrip van de beweeglijkheid van sperma en de impact daarvan op de natuurlijke bevruchting radicaal veranderen", zei Darszon. "We weten zo weinig over het complexe milieu in het vrouwelijke voortplantingskanaal en over welke invloed het zwemmen van de zaadcellen heeft op de bevruchting. Deze nieuwe instrumenten hebben onze ogen geopend voor de verbazingwekkende capaciteiten van sperma."

De studie van Gadelha, Corkidi, Darszon en hun Mexicaanse collega's Paul Hernández-Herrera en Fernando Montoya is gepubliceerd in Science Advances. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of Bristol.

Een video over de ontdekking van het Polymaths Lab van de University of Bristol met als titel: 'Spinners, not swimmers: how sperm fooled scientists for 350 years'.

Meest gelezen