Гигантские сперматозоиды дрозофил не спутались благодаря плотной упаковке

Американские и индийские биофизики исследовали коллективное движение сперматозоидов дрозофил Drosophila melanogaster. Исследователи обнаружили, что половые клетки самцов этого вида, достигающие в длину около двух миллиметров, организуются в плотно упакованное состояние, которое напоминает нематический жидкий кристалл. Они скользят по своеобразным трубкам, образованным телами соседей, и отталкиваются от встречных жгутиков, генерируя растягивающее напряжение. Такая механика постоянного встречного движения предотвращает спутывание хвостов в узлы на протяжении всего времени хранения. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Некоторые животные в процессе эволюции обзавелись аномально длинными сперматозоидами. Ярким примером выступает дрозофила фруктовая (Drosophila melanogaster). У самцов этого вида половые клетки достигают в длину около двух миллиметров, большую часть которых занимает жгутик. Для сравнения — длина человеческого сперматозоида почти в 40 раз меньше и составляет 0,05 миллиметра. Тысячи таких клеток хранятся внутри семенных пузырьков дрозофилы, чей характерный размер составляет всего около 200 микрометров. При этом они активны и способны к самостоятельному движению. Долгое время оставалось загадкой, как именно настолько длинные сперматозоиды избегают образования узлов в столь тесном пространстве.

Биофизики под руководством Майкла Шелли (Michael Shelley) из Института Флэтайрон решили детально изучить поведение гигантских сперматозоидов Drosophila melanogaster в их естественной среде. Сперва они реконструировали трехмерную организацию половых клеток внутри семенных пузырьков, извлеченных из брюшка насекомых. Для этого авторы использовали метод сканирующей электронной микроскопии (SBF-SEM) и конфокальную флуоресцентную микроскопию. Реконструированные трехмерные изображения показали, что сперматозоиды плотно упакованы и выровнены параллельно друг другу. Объемная доля сперматозоидов в органе хранения составляет от 40 до 60 процентов. Наблюдения в реальном времени выявили, что внутри этой плотной массы происходят постоянное «течение» материала. При этом отдельные половые клетки, извлеченные из пузырька, теряют способность к направленному движению, несмотря на продолжающиеся изгибы хвоста.

Из-за параллельного выравнивания клеток вся структура напоминает нематический жидкий кристалл, внутри которого исследователи обнаружили самопроизвольно возникающие пространственные дефекты в местах, где нарушается параллельность хвостов сперматозоидов. Часть дефектов имеют форму «кометы» и активно перемещаются, в то время как дефекты в виде треугольников почти неподвижны. Направление движения дефектов первого типа указало на то, что материал, образуемый половыми клетками, находится под действием растягивающих сил, и это препятствует спутыванию хвостов сперматозоидов. Исследователи отследили и движение отдельных жгутиков внутри плотной массы с помощью флуоресцентных меток. Оказалось, что соседние сперматозоиды в семенном пузырьке преимущественно движутся навстречу друг другу.

Затем биофизики разработали теоретическую модель движения клеток. Они предположили, что кинематика сперматозоида напоминает движение полимерной цепи внутри трубки, стенки которой образованы соседними клетками: волны изгиба, бегущие по хвосту сперматозоида, взаимодействуют с аналогичными волнами на жгутиках соседей. Для проверки гипотезы исследователи провели ряд численных экспериментов. Моделирование подтвердило, что отдельная от других нить не двигается, но ситуация меняется в случае плотной упаковки. Если соседние нити пускают волны в одном направлении, они синхронизируются и остаются на месте. Однако при встречном направлении волн возникает эффективное взаимное отталкивание, которое заставляет их быстро скользить друг мимо друга.

Используя эти данные, авторы построили модель, описывающую сперму дрозофил как активный жидкий кристалл, части которого способны к самостоятельному движению. Анализ показал, что возникающие растягивающие напряжения создают течения по всему объему материала. Эти течения позволяют соседним нитям проскальзывать мимо друг друга вместо спутывания в узлы. Модель успешно воспроизвела наблюдаемую в экспериментах динамику, включая появление и исчезновение пространственных дефектов.

Аналогичную картину встречного движения сперматозоидов исследователи зафиксировали и в семяприемнике женской особи плодовой мушки. Постоянное движение жгутиков поддерживает массу клеток в упорядоченном состоянии и предотвращает их спутывание. В итоге авторы сделали вывод, что активные механические напряжения необходимы для поддержания репродуктивной функции дрозофил.

Сперма дрозофил обладает и другими интересными особенностями. Ученые выяснили, что белок из семенной жидкости действует напрямую на нейроны самки, усиливая их активность. Благодаря этому у мушек улучшается долговременная память.