È generalmente accettato che gli spermatozoi "nuotino" battendo o ruotando le loro morbide code. Tuttavia, un gruppo di ricerca guidato da scienziati ha scoperto che gli spermatozoi dei raggi si muovono ruotando sia la coda che la testa. Il team ha studiato ulteriormente il modello di movimento e lo ha dimostrato con un robot. Il loro studio ha ampliato le conoscenze sul movimento dei microrganismi e ha fornito ispirazione per la progettazione ingegneristica dei robot.
Scoperta sorprendente
La ricerca ha rivelato una nuova e peculiare modalità di movimento degli spermatozoi di raggio, che chiamano "modello Heterogeneous Dual Helixes (HDH)". "Questa è stata in realtà una scoperta accidentale",
Tutto è iniziato con un'altra ricerca del team sullo sviluppo di tecniche di inseminazione artificiale per l'allevamento di pesci cartilaginei, inclusi squali e razze, il cui scheletro è interamente o in gran parte composto da cartilagine. “I pesci cartilaginei possono essere utilizzati come 'fabbrica' per produrre anticorpi contro malattie, compreso il COVID-19. Quindi volevamo sviluppare tecniche di inseminazione artificiale per allevarli per l'acquacoltura di alto valore", ha affermato.
Durante questo processo, il team è rimasto molto sorpreso quando ha osservato per la prima volta la struttura unica e il movimento di nuoto degli spermatozoi di raggio al microscopio. Hanno scoperto che la testa dello sperma del raggio è in una lunga struttura elicoidale anziché essere rotonda, e ruota insieme alla coda durante il nuoto.
Il team ha studiato ulteriormente il suo meccanismo di propulsione, in particolare il ruolo esatto della testa in movimento. Hanno scoperto che gli spermatozoi dei raggi sono costituiti da sezioni elicoidali eterogenee: una testa a spirale rigida e una coda morbida, che sono collegate da un "pezzo intermedio" che fornisce energia per il movimento rotatorio. La testa dello sperma del raggio non è solo un “contenitore” del materiale genetico ma ne facilita anche la propulsione insieme alla coda molle.
Per comprendere meglio la modalità di movimento, il team ha analizzato una grande quantità di dati sul nuoto e ha osservato la struttura interna degli spermatozoi su scala nanometrica. Poiché sia la testa che la coda dello sperma del raggio ruotavano nella stessa direzione con varie velocità di rotazione e ampiezze durante il nuoto, il team ha chiamato questa propulsione a doppia elica eterogenea (HDH).
Secondo la loro analisi statistica, la testa ha contribuito per circa il 31% della forza propulsiva totale, che è la prima propulsione della testa registrata in tutti gli spermatozoi conosciuti. A causa del contributo della testa, l'efficienza del movimento dello sperma del raggio è maggiore rispetto ad altre specie come lo sterletto e il toro, che sono guidati solo dalla coda.
"Un modo così non tradizionale di propulsione non solo fornisce agli spermatozoi di raggio un'elevata adattabilità a un'ampia gamma di ambienti viscosi, ma porta anche a capacità di movimento ed efficienza superiori".
Elevata adattabilità ambientale
L'adattabilità ambientale è cruciale nella selezione naturale. La testa e la coda degli spermatozoi del raggio possono regolare il loro movimento e il contributo alla propulsione in base alla viscosità ambientale e nuotare a velocità diverse per il movimento di avanzamento. Quindi, gli spermatozoi di raggio possono muoversi in vari ambienti con un'ampia gamma di viscosità, dimostrando un'elevata adattabilità ambientale.
Il team ha anche scoperto che gli spermatozoi di raggio hanno una capacità di nuoto bidirezionale unica, il che significa che possono nuotare non solo in avanti ma anche all'indietro. Tale capacità fornisce vantaggi agli spermatozoi in natura, specialmente quando incontrano ostacoli. E altri spermatozoi con testa sferica o a forma di bastoncino non possono raggiungere il movimento bidirezionale.
Grazie al modello HDH, la testa a spirale degli spermatozoi di raggio ha una capacità di rotazione attiva. Poiché sia la testa che la coda contribuiscono alla propulsione, l'angolo tra di loro produrrà una forza laterale sul corpo, consentendo allo sperma del raggio di ruotare, mostrando un'elevata flessibilità nel suo movimento.
Il robot di ispirazione biologica mostra il modello HDH
Il peculiare modello HDH ha mostrato ampie caratteristiche di motilità ed efficienza e ha ispirato il team nella progettazione di microrobot. Il robot di ispirazione biologica, anch'esso con una testa a spirale rigida e una coda morbida, ha dimostrato superiorità simili rispetto a quelli convenzionali in termini di adattabilità ed efficienza a parità di potenza assorbita. Potrebbe muoversi abilmente in un ambiente con liquido, anche quando la viscosità è cambiata.
Tali abilità possono fornire spunti per la progettazione di robot per il nuoto per compiti ingegneristici impegnativi e biomedico applicazioni all'interno del corpo umano con ambienti fluidi complessi, come all'interno dei vasi sanguigni.