É geralmente aceito que os espermatozoides “nadam” batendo ou girando suas caudas macias. No entanto, uma equipe de pesquisa liderada por cientistas descobriu que os espermatozoides dos raios se movem girando a cauda e a cabeça. A equipe investigou ainda mais o padrão de movimento e o demonstrou com um robô. Seu estudo expandiu o conhecimento sobre o movimento dos microrganismos e forneceu inspiração para o projeto de engenharia de robôs.
Descoberta surpreendente
A pesquisa revelou um novo e peculiar modo de movimento dos espermatozoides dos raios, que eles chamam de “modelo de hélices duplas heterogêneas (HDH)”. “Esta foi, na verdade, uma descoberta acidental”,
Tudo começou com outra pesquisa da equipe no desenvolvimento de técnicas de inseminação artificial para a criação de peixes cartilaginosos, incluindo tubarões e raias, cujo esqueleto é total ou amplamente composto de cartilagem. “Os peixes cartilaginosos podem ser usados como uma 'fábrica' para a produção de anticorpos contra doenças, incluindo COVID-19. Então, queríamos desenvolver técnicas de inseminação artificial para cultivá-los para a aquicultura de alto valor ”, disse ele.
Durante esse processo, a equipe ficou muito surpresa quando observou pela primeira vez a estrutura única e o movimento natatório dos espermatozoides dos raios sob o microscópio. Eles descobriram que a cabeça do espermatozóide dos raios está em uma longa estrutura helicoidal em vez de ser redonda, e que gira junto com a cauda ao nadar.
A equipe investigou ainda mais seu mecanismo de propulsão, especialmente o papel exato da cabeça em movimento. Eles descobriram que os espermatozoides dos raios consistem em seções helicoidais heterogêneas: uma cabeça espiral rígida e uma cauda macia, que são conectadas por uma "peça intermediária" que fornece energia para o movimento rotacional. A cabeça do espermatozóide da raia não é apenas um “recipiente” do material genético, mas também facilita a propulsão junto com a cauda mole.
Para entender melhor o modo de movimento, a equipe analisou uma grande quantidade de dados de natação e observou a estrutura interna dos espermatozoides em nanoescala. Uma vez que a cabeça e a cauda do espermatozóide do raio giravam na mesma direção com várias velocidades de rotação e amplitudes ao nadar, a equipe chamou isso de propulsão de hélice dupla heterogênea (HDH).
De acordo com sua análise estatística, a cabeça contribuiu com cerca de 31% da força propulsiva total, que é a primeira propulsão da cabeça registrada em todos os espermatozoides conhecidos. Por causa da contribuição da cabeça, a eficiência de movimento do espermatozóide dos raios é maior do que outras espécies como o esterlino e o touro, que são movidos apenas pela cauda.
“Essa forma não tradicional de propulsão não só fornece espermatozoides de raios com alta adaptabilidade a uma ampla gama de ambientes viscosos, mas também leva a uma capacidade de movimento superior e eficiência”.
Alta adaptabilidade ambiental
A adaptabilidade ambiental é crucial na seleção natural. A cabeça e a cauda dos espermatozoides dos raios podem ajustar seu movimento e contribuição para a propulsão de acordo com a viscosidade ambiental e nadar em velocidades diferentes para avançar o movimento. Conseqüentemente, os espermatozoides dos raios podem se mover em vários ambientes com uma ampla gama de viscosidades, demonstrando alta adaptabilidade ambiental.
A equipe também descobriu que os espermatozoides dos raios têm uma capacidade única de natação bidirecional, o que significa que eles podem nadar não apenas para a frente, mas também para trás. Essa capacidade oferece vantagens para os espermatozoides na natureza, especialmente quando eles encontram obstáculos. E outros espermatozoides com cabeça esférica ou em forma de bastão não conseguem realizar o movimento bidirecional.
Graças ao modelo HDH, a cabeça espiral dos espermatozoides dos raios tem uma capacidade de rotação ativa. Como tanto a cabeça quanto a cauda contribuem para a propulsão, o ângulo entre elas produzirá uma força lateral sobre o corpo, permitindo que o espermatozoide gire, apresentando alta flexibilidade em seu movimento.
Robô bio-inspirado demonstra o modelo HDH
O modelo HDH peculiar mostrou extensos recursos em motilidade e eficiência e inspirou a equipe no projeto de microrrobôs. O robô bioinspirado, também com uma cabeça espiral rígida e uma cauda mole, demonstrou superioridades semelhantes sobre os convencionais em termos de adaptabilidade e eficiência sob a mesma entrada de energia. Ele pode se mover habilmente em um ambiente com líquido, mesmo quando a viscosidade muda.
Tais habilidades podem fornecer insights para projetar robôs de natação para tarefas desafiadoras de engenharia e biomédica aplicações dentro do corpo humano com ambientes fluídicos complexos, como no interior dos vasos sanguíneos.