De tatoeage van Scott Pitnick is niet bepaald subtiel. Het enorme zwart-witte sperma draait en spitst zijn rechter onderarm en lijkt zich in en uit zijn huid te graven voordat hij in een vuistgrote kop op zijn biceps opduikt. Ook is de bioloog van de Syracuse University niet gereserveerd over zijn ongewone lichaamskunst, die ooit verscheen in een montage van opmerkelijke tatoeages van wetenschappers gepubliceerd in The Guardian .
Voor Pitnick weerspiegelt zijn ingewikkelde inkt zijn diepe fascinatie voor de 'ongelooflijk unieke biologie' van het sperma. Overweeg, zegt hij, dat sperma de enige cellen in het lichaam zijn die bestemd zijn om in een vreemde omgeving te worden geworpen - een prestatie die dramatische fysieke veranderingen vereist zoals ze reizen van de testikels naar het voortplantingskanaal van een vrouw.
gerelateerde inhoud
- De vroegste zoogdieren bleven koel met afgedaalde testikels
- Waarom wetenschappers muissperma naar het internationale ruimtestation stuurden
- Nu kunt u de mannelijke vruchtbaarheid meten met een smartphone-app
- Contraceptieve gel genaamd de "IUD For Men" maakt het door Monkey Trials
"Dat doen geen andere cellen", zegt Pitnick, die al meer dan 20 jaar sperma bestudeert. "Ze hebben deze autonomie."
In zijn laboratorium ontwikkelt Pitnick de hoofden van fruitvliegsperma om een spookachtig rood en groen te gloeien, zodat hij ze kan observeren terwijl ze door ontleed vrouwelijke vrouwelijke voortplantingsorganen bewegen. Hij hoopt dat zijn werk zal helpen onthullen hoe sperma zich in vrouwelijke lichamen gedraagt, een onderzoeksgebied dat nog in de kinderschoenen staat. Dit soort innovaties zou ooit de grote verscheidenheid aan spermavorm en -grootte in het dierenrijk kunnen verklaren. Bovendien zouden ze uiteindelijk onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van menselijke onvruchtbaarheidsbehandelingen, evenals effectievere mannelijke anticonceptiva.
"We begrijpen bijna niets over de spermafunctie, wat sperma doet", zegt Pitnick. Veel van de antwoorden op deze onbekenden verbergen waarschijnlijk in de andere helft van de puzzel van sperma: vrouwelijke lichamen.
Dit kan een teleurstelling zijn voor de moedige biologen die in de 17e en 18e eeuw voor het eerst in hun volle glorie naar zaadcellen keken, met behulp van de toen revolutionaire microscoop. Deze vroege spermawetenschappers hadden de taak om de meest basale vragen te beantwoorden, bijvoorbeeld: leven sperma in levende dieren? Zijn het parasieten? En, Bevat elk sperma een kleine voorgevormde volwassen mens die van binnen is opgerold? (Daar komen we later op terug.)
De vroege microscopische waarnemingen van Leeuwenhoek van sperma van konijnen (fig. 1-4) en sperma van honden (fig. 5-8). (Wikimedia Commons) De persoon met de twijfelachtige eer om als eerste het sperma in detail te bestuderen was Anton van Leeuwenhoek, een Nederlander die de vroege samengestelde microscoop ontwikkelde. Van Leeuwenhoek gebruikte zijn nieuwe tool voor het eerst om meer kuise onderwerpen zoals bijenstingers, menselijke luizen en meerwater te onderzoeken in het midden van de jaren 1670.
Collega's spoorden hem aan zijn lens op sperma te richten. Maar hij was bang dat het onfatsoenlijk zou zijn om over sperma en geslachtsgemeenschap te schrijven, en daarom bleef hij staan. Eindelijk, in 1677, gaf hij toe. Zijn eigen ejaculaat onderzocht, werd hij onmiddellijk getroffen door de minuscule "diertjes" die hij binnen kronkelde.
Aarzelend om zelfs zijn bevindingen met collega's te delen - laat staan een wriggler op zijn arm te laten tatoeëren - schreef Van Leeuwenhoek aarzelend aan de Royal Society of London over zijn ontdekking in 1677. “ Als u zou moeten overwegen dat deze waarnemingen de geleerde walgen of schandalig maken, Ik smeek u ernstig om ze als privé te beschouwen en ze te publiceren of te vernietigen zoals uw heer geschikt acht . '
Zijn Lordship (ook bekend als de president van de Royal Society) koos ervoor om de bevindingen van Van Leeuwenhoek te publiceren in het tijdschrift Philosophical Transactions in 1678 - waarmee het gloednieuwe gebied van spermabiologie werd verwekt.
Het is moeilijk te overschatten hoe mysterieus deze kronkelende, microscopische komma's destijds voor wetenschappers zouden zijn geweest. Vóór de ontdekking van deze 'diercules' liepen theorieën over hoe mensen meer mensen maakten wijd uiteen, zegt Bob Montgomerie, een bioloog die dierreproductie bestudeert aan de Queen's University in Canada. Sommigen geloofden bijvoorbeeld dat damp die werd uitgestoten door mannelijk ejaculaat vrouwtjes op de een of andere manier stimuleerde om baby's te maken, terwijl anderen geloofden dat mannen daadwerkelijk baby's maakten en deze overdroegen aan vrouwen voor incubatie.
"Je kunt je voorstellen hoe moeilijk het is als je geen idee hebt wat er aan de hand is", zegt Montgomerie. Dat wil zeggen: zonder dat ze sperma en eieren konden zien, haalden deze wetenschappers eigenlijk gewoon theorieën uit het niets.
In de 17e eeuw geloofden veel onderzoekers dat elke spermatozoa een kleine, volledig voorgevormde mens bevatte, zoals geïllustreerd in deze schets uit 1695 van Nicolaas Hartsoeker. (Wikimedia Commons) Zelfs nadat Van Leeuwenhoek sperma had ontdekt in 1677, gingen er ongeveer 200 jaar voorbij voordat wetenschappers het eens werden over hoe mensen werden gevormd. Twee primaire denkvelden ontstonden onderweg: aan de ene kant geloofden de 'preformationisten' dat elke spermatozoa - of elk ei, afhankelijk van wie je vroeg - een kleine, volledig voorgevormde mens bevatte. Volgens deze theorie bood het ei - of sperma - eenvoudigweg een plaats voor ontwikkeling.
Aan de andere kant betoogden 'epigenesisten' dat zowel mannen als vrouwen materiaal bijdroegen om een nieuw organisme te vormen, hoewel ze niet zeker wisten wie precies wat bijdroeg. Ontdekkingen in de jaren 1700 boden meer bewijs voor dit argument, inclusief de ontdekking uit 1759 dat kuikens incrementeel organen ontwikkelen. (Montgomerie merkt dit op in het boek Sperm Biology: An Evolutionary Perspective, dat werd bewerkt door collega's waaronder Pitnick.)
Met verbeteringen aan de microscoop observeerden onderzoekers uit het midden van de 19e eeuw de embryonale ontwikkeling in zee-egeleieren, die gemakkelijk transparant zijn. Deze observaties bleven het concept van preformatie weerleggen en stelden onderzoekers in staat om te vragen hoe sperma en eicellen samenwerken om nieuwe organismen te creëren.
Spermaonderzoek werpt ook licht op andere lichaamssystemen. In de jaren zestig identificeerden onderzoekers het eiwit dyneïne, dat verantwoordelijk is voor de beweging van het sperma. "Het blijkt dat hetzelfde motoreiwit verantwoordelijk is voor allerlei processen die in cellen plaatsvinden", zegt Charles Lindemann, emeritus hoogleraar aan de Oakland University in Michigan, die de beweeglijkheid van het sperma heeft bestudeerd. Tegenwoordig weten we dat dyneïne betrokken is bij de beweging van microscopische cellulaire structuren zoals cilia en flagella, die de sleutel zijn tot veel lichaamsfuncties.
Toch verliep de vroege vooruitgang in vruchtbaarheidsonderzoek langzaam. Er waren toen nog helemaal niet zoveel werkende wetenschappers, laat staan spermawetenschappers, zegt Montgomerie. Hij schat dat er op dat moment slechts enkele tientallen mensen onderzoek deden naar sperma; ter vergelijking, ongeveer 400.000 wetenschappers bestuderen tegenwoordig kanker. "Er waren mensen die het deden, maar misschien niet genoeg", zegt Montgomerie.
Pitnick voegt eraan toe dat de weinige vroege onderzoekers die sperma hebben bestudeerd misschien niet volledig de rol van het vrouwelijke voortplantingssysteem in de vruchtbaarheidsvergelijking hebben begrepen - een overzicht dat zou kunnen verklaren waarom dit gebied vandaag de dag nog steeds zo'n mysterie is. "Een deel daarvan is een mannelijke bias in de biologie om te denken dat de vrouw geen belangrijk deel van het verhaal is, en dat gaat ver terug in de spermabiologie naar dit hele idee van voorvorming", zegt Pitnick.
Aan de meer technische kant is het observeren van spermabewegingen bij de vrouw logistiek zeer uitdagend. Zoals Pitnick aangeeft, is het vrij moeilijk om een camera in een vrouwelijk voortplantingskanaal te krijgen.
Dat is het genie achter zijn gloeiende fruitvliessperma en de mogelijkheid om ze in realtime te volgen. De video hierboven toont het verwijderde voortplantingskanaal van een vrouwelijke fruitvlieg, die Pitnick intact heeft gehouden in een zoutoplossing. Toen het leefde, werd dat vrouwtje gepaard met een groen-spermamannetje en een paar dagen later opnieuw gepaard met een rood-spermamannetje. Alleen de koppen van het sperma zijn gelabeld met het fluorescerende eiwit, zodat de staarten van het sperma niet kunnen worden gezien.
Met dit soort technologie kan Pitnick inzicht krijgen in waarom er zoveel variatie bestaat in de vorm en grootte van sperma. Het gloeiende sperma dat hij bestudeert, heeft bijvoorbeeld mega-lange staarten die tot 6 centimeter lang worden wanneer ze worden afgewikkeld - ongeveer de lengte van je pink en de langste die bekend is in het dierenrijk. Hij heeft decennia lang geprobeerd te begrijpen waarom een vlieg op deze manier zou evolueren, en is uiteindelijk toegespitst op het vrouwelijke voortplantingskanaal als de bron voor zijn antwoord.
Terwijl Pitnick zich op vliegen concentreert, heeft sperma ook de aandacht getrokken van moderne wetenschappers die proberen menselijke paren te helpen zwanger te worden. De bevindingen van Pitnick kunnen onbedoeld helpen bij deze taak. "In veel gevallen is het een compatibiliteitsverschil tussen een specifieke man en vrouw, en zij kennen het onderliggende mechanisme niet, " zegt hij. "Het begrijpen van interacties tussen sperma en vrouwen kan zeker licht werpen op het begrijpen van nieuwe verklaringen voor onvruchtbaarheid, en mogelijk nieuwe oplossingen daarvoor."
Fundamenteel spermaonderzoek zal ook helpen de vooruitgang bij het ontwikkelen van mannelijke anticonceptiva te versnellen, zegt Daniel Johnston, hoofd van de afdeling Anticonceptieonderzoek bij de National Institutes of Health. Tot nu toe hebben onderzoekers alles geprobeerd, van gels tot pillen, maar een effectieve, betrouwbare mannelijke anticonceptie blijft ongrijpbaar. Johnston zegt dat wetenschappers nog steeds geconfronteerd worden met de meest elementaire vragen: wat is sperma eigenlijk?
Spermacellen variëren ongelooflijk in het dierenrijk. Deze enkele fruitvliegspermacel kan enkele centimeters lang worden wanneer hij ontrold is. (Romano Dalla) "We moeten echt begrijpen wat een sperma vormt", zegt Johnston, die heeft gewerkt aan het beschrijven van de volledige eiwitinhoud van sperma - een belangrijke eerste stap in het begrijpen van het ontwerpen van effectieve anticonceptiva. "Als je dat begrijpt, kun je mogelijk gaan begrijpen wat we moeten remmen."
Onlangs heeft een particuliere groep, het Male Contraceptive Initiative, een wedstrijd gelanceerd die één innovatief onderzoek naar anticonceptie zal financieren. * Gunda Georg, een medicinale chemicus aan de Universiteit van Minnesota, heeft de eerste ronde van de wedstrijd voor haar onderzoek naar onvruchtbaarheid doorstaan -geassocieerde genen bij muizen die uiteindelijk kunnen worden gebruikt om een mannelijke anticonceptiepil te ontwikkelen.
Haar huidige onderzoek helpt bij het bepalen van geschikte doseringsniveaus voor dergelijke geneesmiddelen en het beoordelen van mogelijke bijwerkingen. Immers, "als een man stopt met het innemen van de pil, moet hij volledig weer normaal worden", zegt Georg.
Johnston is verheugd de kans te hebben dit soort onderzoek bij de NIH te ondersteunen, zowel uit interesse om mannelijke anticonceptiva vooruit te helpen, maar ook uit een fundamentele intrige in sperma die zijn 25-jarige carrière niet heeft laten liggen. "Sperma is fascinerend", zegt Johnston. "Er gaat niets boven hen."
Pitnick is het daar natuurlijk mee eens. De verlegenheid die wetenschappers als van Leeuwenhoek in de vroege dagen hebben aangetoond, is volgens hem verdwenen. "Ik denk niet dat er tegenwoordig teveel biologen zijn met enige vorm van ongemak over dit soort dingen, " zegt Pitnick. En voor hem persoonlijk? "Ik hou van deze biologie, " zegt hij. "Ik zal er met iedereen over praten die bereid is te luisteren."
Editor's Note, 7 juni 2017: dit stuk verklaarde oorspronkelijk dat het Male Contraceptive Initiative was gehuisvest onder de NIH; het is een privé-onderneming.
