Men is het er algemeen over eens dat sperma 'zwemmen' door met hun zachte staarten te slaan of te draaien. Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers heeft echter ontdekt dat straalsperma's bewegen door zowel de staart als de kop te draaien. Het team onderzocht het bewegingspatroon verder en demonstreerde het met een robot. Hun studie heeft de kennis over de beweging van de micro-organismen vergroot en inspiratie gegeven voor het ontwerp van robottechniek.
Verrassende ontdekking
Het onderzoek onthulde een nieuwe en eigenaardige bewegingsmodus van straalsperma's, die ze het "Heterogene Dual Helixes (HDH) -model" noemen. "Dit was eigenlijk een toevallige ontdekking",
Het begon allemaal met een ander onderzoek van het team naar de ontwikkeling van kunstmatige inseminatietechnieken voor het kweken van kraakbeenvissen, waaronder haaien en roggen, waarvan het skelet geheel of grotendeels uit kraakbeen bestaat. “Kraakbeenvissen kunnen als ‘fabriek’ worden gebruikt om antistoffen te maken tegen ziekten, waaronder COVID-19. Dus wilden we kunstmatige inseminatietechnieken ontwikkelen om ze te kweken voor hoogwaardige aquacultuur, "zei hij.
Tijdens dat proces was het team enorm verrast toen ze voor het eerst de unieke structuur en zwembeweging van straalsperma onder de microscoop observeerden. Ze ontdekten dat het hoofd van het straalsperma in een lange spiraalvormige structuur zit in plaats van rond te zijn, en dat het met de staart meedraait tijdens het zwemmen.
Het team onderzocht verder het voortstuwingsmechanisme, met name de exacte rol van het hoofd in beweging. Ze ontdekten dat straalsperma's bestaan uit heterogene spiraalvormige secties: een stijve spiraalkop en een zachte staart, die verbonden zijn door een "middenstuk" dat energie levert voor rotatiebeweging. De kop van de straalsperma is niet alleen een “container” van het genetische materiaal, maar vergemakkelijkt ook de voortstuwing samen met de zachte staart.
Om de bewegingsmodus beter te begrijpen, analyseerde het team een grote hoeveelheid zwemgegevens en observeerde de binnenstructuur van het sperma op nanoschaal. Omdat zowel de kop als de staart van het straalsperma tijdens het zwemmen in dezelfde richting roteerden met verschillende rotatiesnelheden en amplitudes, noemde het team dit de heterogene dual helixes (HDH) voortstuwing.
Volgens hun statistische analyse droeg het hoofd ongeveer 31% bij aan de totale voortstuwingskracht, wat de eerste geregistreerde voortstuwing van het hoofd is in alle bekende spermacellen. Vanwege de bijdrage van de kop is de bewegingsefficiëntie van het straalsperma hoger dan die van andere soorten zoals de sterlet en de stier, die alleen door de staart worden aangedreven.
"Zo'n niet-traditionele manier van voortstuwing biedt niet alleen straalsperma's met een hoog aanpassingsvermogen aan een breed scala aan viskeuze omgevingen, maar leidt ook tot superieur bewegingsvermogen en efficiëntie",.
Hoog aanpassingsvermogen aan het milieu
Aanpassingsvermogen aan de omgeving is cruciaal bij natuurlijke selectie. De kop en staart van de straalsperma's kunnen hun beweging en bijdrage aan de voortstuwing aanpassen aan de omgevingsviscositeit en met verschillende snelheden zwemmen voor voorwaartse beweging. Daarom kunnen straalsperma's in verschillende omgevingen met een breed scala aan viscositeiten bewegen, wat een hoog aanpassingsvermogen aan de omgeving aantoont.
Het team ontdekte ook dat straalsperma's een uniek bidirectioneel zwemvermogen hebben, wat betekent dat ze niet alleen in voorwaartse maar ook in achterwaartse richting kunnen zwemmen. Een dergelijk vermogen biedt voordelen aan sperma in de natuur, vooral wanneer ze obstakels tegenkomen. En andere spermacellen met een bolvormige of staafvormige kop kunnen geen bidirectionele beweging bereiken.
Dankzij het HDH-model heeft de spiraalkop van straalsperma's een actief draaivermogen. Omdat zowel de kop als de staart bijdragen aan de voortstuwing, zal de hoek ertussen een zijdelingse kracht op het lichaam produceren, waardoor het straalsperma kan draaien en een hoge flexibiliteit in zijn beweging vertoont.
Bio-geïnspireerde robot demonstreert het HDH-model
Het eigenaardige HDH-model vertoonde uitgebreide functies in beweeglijkheid en efficiëntie en inspireerde het team bij het ontwerpen van microrobots. De bio-geïnspireerde robot, ook met een stijve spiraalkop en een zachte staart, vertoonde vergelijkbare superioriteit ten opzichte van conventionele robots in termen van aanpassingsvermogen en efficiëntie bij hetzelfde vermogen. Het kon vakkundig bewegen in een omgeving met vloeistof, zelfs als de viscositeit veranderde.
Dergelijke vaardigheden kunnen inzichten verschaffen voor het ontwerpen van een zwemrobot voor uitdagende technische taken en biomedische toepassingen in het menselijk lichaam met complexe vloeistofomgevingen, zoals in bloedvaten.