أفادت دراسة جديدة أن الحيوانات المنوية البشرية تدفع نفسها عبر السوائل اللزجة باستخدام ذيولها التي تشبه السوط، في تحدٍ لقانون نيوتن الثالث للحركة.

قام كينتا إيشيموتو، عالم الرياضيات في جامعة كيوتو، وزملاؤه بدراسة التفاعلات غير المتبادلة في الحيوانات المنوية وغيرها من العناصر البيولوجية المجهرية السابحة، لمعرفة كيفية انزلاقها عبر المواد التي ينبغي، نظريًا، مقاومة حركتها.

عندما ابتكر نيوتن قوانينه الشهيرة للحركة عام 1686، سعى إلى شرح العلاقة بين الجسم المادي والقوى المؤثرة عليه باستخدام بعض المبادئ الدقيقة التي تبين أنها لا تنطبق بالضرورة على الخلايا المجهرية التي تتلوى السوائل اللزجة من خلالها.

ويمكن تلخيص قانون نيوتن الثالث على النحو التالي: “لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه”. يشير هذا إلى وجود تناظر معين في الطبيعة حيث تعمل القوى المتعارضة ضد بعضها البعض. في أبسط مثال، يؤدي اصطدام كرتين متساويتين في الحجم أثناء تدحرجهما على الأرض إلى انتقال قوتهما وارتدادهما بناءً على هذا القانون.

ومع ذلك، فإن الطبيعة فوضوية، وليست كل الأنظمة الفيزيائية مقيدة بهذه التناظرات.

يظهر ما يسمى بالتفاعلات غير المتبادلة في الأنظمة الجامحة التي تتكون من أسراب الطيور والجزيئات الموجودة في السوائل والحيوانات المنوية، حيث تظهر تفاعلات غير متماثلة مع الحيوانات التي تقف خلفها أو مع السوائل المحيطة بها، مما يخلق ثغرة لقوى متساوية ومعاكسة للتحايل قانون نيوتن الثالث.

قام إيشيموتو وزملاؤه بتحليل بيانات تجريبية عن الحيوانات المنوية البشرية، وقاموا أيضًا بوضع نموذج لحركة الطحالب الخضراء، Chlamydomonas، حيث يسبح كلاهما باستخدام أسواط رفيعة ومرنة تبرز من جسم الخلية وتغير شكلها أو تشوه لدفع الخلايا إلى الأمام.

عادةً ما تعمل السوائل عالية اللزوجة على تبديد طاقة السوط، مما يمنع الحيوانات المنوية أو الطحالب وحيدة الخلية من التحرك كثيرًا. ومع ذلك، بطريقة ما، يستطيع السوط المرن دفع هذه الخلايا دون إثارة استجابة من البيئة المحيطة بها.

ووجد الباحثون أن ذيول الحيوانات المنوية والسياط تتمتع “بمرونة غريبة”، مما يسمح لهذه الزوائد المرنة بالتحرك دون فقدان الكثير من الطاقة للسائل المحيط بها.

لكن هذه الخاصية المرنة الغريبة لم تفسر الدفع الناتج عن الحركة الموجية للسوط. لذلك، من دراسات النمذجة، اشتق الباحثون أيضًا مصطلحًا جديدًا، وهو معامل المرونة اللامركزي، لوصف الميكانيكا الداخلية للسوط.

وخلص الباحثون إلى أنه “من النماذج البسيطة القابلة للحل إلى الأشكال الموجية السوطية البيولوجية لخلايا الكلاميدوموناس وخلايا الحيوانات المنوية، قمنا بدراسة معامل الانحناء الفردي لفك رموز التفاعلات الداخلية غير المتبادلة داخل المادة”.

ويضيف الفريق أن النتائج يمكن أن تساعد في تصميم روبوتات صغيرة ذاتية التجميع تحاكي المواد الحية، في حين يمكن استخدام أساليب النمذجة لفهم المبادئ الأساسية للسلوك الجماعي بشكل أفضل.

ونشرت الدراسة في مجلة PRX Life.

اكتشف أحد الأسباب الأساسية للعقم عند الرجال

يعاني ملايين الأزواج حول العالم من العقم، وتحدث نصف الحالات عند الرجال. وفي 10% منهم، يتم إنتاج كمية قليلة من الحيوانات المنوية أو لا يتم إنتاجها على الإطلاق.

الآن، يسلط البحث الجديد الذي أجراه معهد ستورز للأبحاث الطبية، بالتعاون مع مركز ويلكوم لبيولوجيا الخلية بجامعة إدنبرة، الضوء على الأخطاء التي يمكن أن تحدث في تكوين الحيوانات المنوية، مما يؤدي إلى نظريات محتملة حول العلاجات الممكنة.

وقال سكوت هاولي، الباحث في معهد ستورز للأبحاث الطبية: “أحد الأسباب المهمة للعقم عند الذكور هو عدم قدرتهم على إنتاج الحيوانات المنوية”. “وإذا كنت تعرف بالضبط ما هو الخطأ، فهناك تقنيات ناشئة الآن قد تمنحك طريقة لإصلاحه.”

وقد تساعد الدراسة، التي نشرت في مجلة Science Advances، في تفسير سبب عدم إنتاج بعض الرجال ما يكفي من الحيوانات المنوية لتخصيب البويضة.

في معظم الأنواع التي تتكاثر جنسيًا، بما في ذلك البشر، يجب بناء بنية بروتينية مهمة تشبه جسر الشبكية بشكل صحيح لإنتاج خلايا الحيوانات المنوية والبويضة.

اكتشف الفريق، بقيادة باحثة ما بعد الدكتوراه السابقة كاثرين بيلمار، أنه في الفئران، أدى تغيير نقطة واحدة محددة للغاية في هذا الجسر إلى انهياره، مما أدى إلى العقم، وبالتالي توفير نظرة ثاقبة على العقم عند الذكور بسبب مشاكل مماثلة مع الانقسام الاختزالي.

يتضمن الانقسام الاختزالي، وهو عملية انقسام الخلايا التي تؤدي إلى ظهور الحيوانات المنوية والبويضات، عدة خطوات، إحداها هي تكوين بنية بروتينية كبيرة تسمى المجمع السينابتونيمال. مثل الجسر، يحتوي المجمع على أزواج من الكروموسومات في مكانها مما يسمح بحدوث التبادلات الجينية الضرورية اللازمة لفصل الكروموسومات بشكل صحيح إلى الحيوانات المنوية والبويضات.

وقال بيلماير: “أحد العوامل الرئيسية المساهمة في العقم هو العيوب الانتصافية”. “لفهم كيفية فصل الكروموسومات إلى خلايا تكاثرية بشكل صحيح، نحن مهتمون حقًا بما يحدث قبل ذلك مباشرة عندما يتشكل المركب السينابتونيمال بينها.”

لقد فحصت الدراسات السابقة العديد من البروتينات التي تشكل مركب السينابتونيمال، وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض، وحددت الطفرات المختلفة المرتبطة بالعقم عند الذكور.

يشكل البروتين الذي درسه الباحثون في هذه الدراسة شبكات الجسور المحتوية على القسم الموجودة في البشر والفئران ومعظم الفقاريات الأخرى، مما يشير إلى أهميته للمعقد.

إن نمذجة الطفرات المختلفة في منطقة يحتمل أن تكون حاسمة في البروتين البشري مكّنت الفريق من التنبؤ بأي منها قد يعطل وظيفة البروتين.

استخدم الباحثون تقنية دقيقة لتحرير الجينات لإدخال طفرات في أحد البروتينات المعقدة السينابتونيمالية الرئيسية في الفئران، مما سمح لهم، لأول مرة، باختبار وظيفة المناطق الرئيسية من البروتين في الحيوانات الحية. تم التحقق من طفرة واحدة فقط، تم التنبؤ بها من تجارب النمذجة، لتسبب العقم في الفئران.

وقال الباحثون: “نحن نتحدث هنا عن الجراحة المجهرية. لقد ركزنا على منطقة صغيرة جدًا من بروتين واحد في هذا الهيكل العملاق الذي كنا متأكدين تمامًا من أنه يمكن أن يكون سببًا مهمًا للعقم”.