Phát hiện mới về cách hoạt động của tinh trùng, đánh đổ quan niệm sai lầm suốt 300 năm nay

Nghiên cứu mới cho thấy tinh trùng người có cách bơi giống con rái cá hơn là giống con lươn, được biết đến trong vật lý giống như khi quỹ đạo của Trái đất và Sao Hỏa quay quanh mặt trời.

Trong hơn 300 năm qua, hầu hết các nhà khoa học đã cho rằng tinh trùng "bơi" qua chất lỏng bằng cách vặn đuôi qua lại như lươn để tự đẩy bản thân nó về phía trước. Nhưng theo một báo cáo mới trên Science Advances, đây thực sự chỉ là một ảo ảnh quang học, kết quả của việc nhìn các sinh vật từ trên cao bằng kính hiển vi 2D. Các quan sát mới với kính hiển vi 3D đã tiết lộ rằng tinh trùng của con người thực sự lăn khi chúng bơi, giống như rái cá, về cơ bản là tự xoay mình về phía trước.

"Việc hiểu được cách hoạt động của đuôi tinh trùng về cơ bản sẽ giúp phát triển các công cụ chẩn đoán trong tương lai, nhằm xác định tinh trùng không khỏe mạnh", đồng tác giả của báo cáo, Hermes Gadelha từ Đại học Bristol cho biết.

Mô phỏng 3D về cách vẫy đuôi của tinh trùng, chúng dường như di chuyển đối xứng từ bên này sang bên khác.

Người vinh dự được quan sát trực tiếp tinh trùng đầu tiên thuộc về Antonie van Leeuwenhoek, một người thợ lặn người Hà Lan thế kỷ 17, đặc biệt quan tâm đến khoa học. Ông đã chế tạo kính hiển vi và đưa ra các phương pháp sản xuất đầy sáng tạo nhằm cải tiến khả năng quan sát của kính hiển vi. Chỉ có một vài chiếc kính hiển vi của ông còn sót lại tới ngày nay, nhưng chúng có khả năng phóng đại các vật thể nhỏ lên tới 275 lần. Và các nhà sử học tin rằng một số dụng cụ của ông có thể đạt được độ phóng đại cao tới 500 lần.

Van Leeuwenhoek đã nghiên cứu rất nhiều chất dưới kính hiển vi của mình, bao gồm các chất lỏng như nước hồ, máu, sữa, nướt bọt và nước mắt, thậm chí cả các mảng bám trên răng của chính mình. Ông đã bị sốc khi phát hiện ra các sinh vật sống nhỏ dưới kính hiển vi của mình, thứ mà ông gọi là "animalcules". Đây cũng là người được coi là cha đẻ của vi sinh.

Sau thời gian quan sát các chất lỏng kể trên, Van Leeuwenhoek đã chuyển sự chú ý sang nghiên cứu các mẫu tinh dịch, mặc dù ban đầu anh không muốn làm như vậy, vì sợ rằng nó sẽ không được coi trọng. Nhưng vào năm 1677, ông đã "mủi lòng". Sử dụng một mẫu tinh trùng của chính mình, ông đã tìm thấy trong mẫu thử rất nhiều "animalcules". Ông mô tả các sinh vật nhỏ bé này trong một lá thư gửi Hội Hoàng gia rằng: "Đầu tù, đuôi dài, tự đẩy mình lên trước bằng cách vẫy đuôi "với một chuyển động giống như con lươn đang bơi trong nước."

Những mô tả đầu tiên về hình ảnh tinh trùng thỏ (1-4) và chó (5-8).

Ông tiếp tục quan sát tinh trùng trong các mẫu tinh dịch được thu thập từ các động vật khác, chẳng hạn như thỏ và chó. Nhưng việc quan sát tinh dịch của Van Leeuwenhoek hóa ra đã bị rơi vào một cái bẫy quang học. Gadelha và các đồng nghiệp đã ghi lại quá trình tinh trùng bơi tự do bằng camera tốc độ cao, với khả năng chụp hơn 55.000 khung hình mỗi giây. Cuối cùng, dẫn đến sự tái tạo hình ảnh 3D về chuyển động của đuôi tinh trùng. Họ quan sát thấy rằng đuôi tinh trùng chỉ vặn vẹo ở một bên, điều thường làm cho tinh trùng bơi thành vòng tròn. Vì vậy, tinh trùng đã thích nghi để điều chỉnh, bằng cách vặn mình khi bơi.

"Phát hiện của chúng tôi cho thấy tinh trùng đã phát triển một kỹ thuật bơi để bù đắp cho sự lép vế về hình thể của chúng và bằng cách đó đã khéo léo giải một câu đố toán học ở quy mô hiển vi: tạo ra sự đối xứng từ sự bất đối xứng", Gadelha nói. "Tuy nhiên, sự quay tròn giống như rái cá của tinh trùng người rất phức tạp: đầu tinh trùng quay cùng lúc với đuôi tinh trùng xoay quanh hướng bơi. Điều này được biết đến trong vật lý giống như khi quỹ đạo của Trái đất và Sao Hỏa quay quanh mặt trời."

Sự đối xứng đã được tạo ra từ kiến trúc thân bất đối xứng.

Và theo các nhà khoa học, điều này rất có ý nghĩa, dựa trên những gì chúng ta biết về động lực học chất lỏng liên quan đến sự di chuyển của vi sinh vật. Những sinh vật như vậy sống trong môi trường này có chỉ số Reynold thấp. Đây là chỉ số biểu thị độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy. Chỉ số này dựa trên các biến số độ nhớt, chiều dài và tốc độ. Nó được đặt theo tên của nhà vật lý thế kỷ 19 là Ostern Reynold.

Trở lại năm 1977, nhà vật lý Edward Purcell đã thực hiện một số tính toán cho thấy các động vật có kích cỡ khác nhau sẽ bơi ở những chỉ số Reynold khác nhau như thế nào. Ví dụ, con số này sẽ rất cao đối với một con cá voi, để nó có thể đi được một khoảng cách tốt với một lần quạt đuôi của mình. Tuy nhiên, theo tính toán của Purcell, vi khuẩn bơi với số Reynold thấp, vì vậy chúng hầu như không thể vượt qua bất kỳ khoảng cách nào nếu chỉ đẩy cơ thể đi bằng cách vẫy đuôi. Nó giống như việc một con người đang cố gắng bơi trong chất lỏng đặc như mật và di chuyển cánh tay của họ với tốc độ chậm ngang với chuyển động của kim đồng hồ. Vì vậy, lươn và tinh trùng (hoặc vi khuẩn) sẽ áp dụng các chiến lược bơi rất khác nhau bởi sự cần thiết cho việc sinh tồn, vì chúng đang đối phó với các chỉ số Reynold khác nhau.

Mô phỏng tinh trùng bơi, nhìn từ phía trước.

Quay trở lại với nghiên cứu thì các phòng khám sinh sản ngày nay vẫn dựa vào quan điểm 2D khi kiểm tra sự di chuyển của tinh trùng, vì vậy nghiên cứu mới này cung cấp sự hiểu biết tốt hơn về cách di chuyển của đuôi tinh trùng, từ đó có thể dẫn đến các công cụ chẩn đoán tốt hơn.

"Phát hiện này sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về khả năng di chuyển của tinh trùng và tác động của nó đối với thụ tinh tự nhiên", đồng tác giả Alberto Darszon từ Đại học Nacional Autonoma de Mexico, người tiên phong về kỹ thuật kính hiển vi 3D nói. "Có rất ít thông tin về môi trường phức tạp bên trong hệ sinh sản nữ và cách thức tinh trùng bơi vào thụ tinh. Và những công cụ mới sẽ giúp hé lộ khả năng tuyệt vời của tinh trùng."

• Tinh trùng sống được bao lâu ngoài cơ thể?
• Những điều bất ngờ thú vị bạn chưa từng biết về tinh trùng