Среднее время прочтения — 10 мин.
Цветное микроизображение здоровых сперматозоидов, выходящих из семенного канальца, полученное с помощью растрового электронного микроскопа. Фото: Innerspace Imaging/Science Photo Library

Прежде чем наука пролила свет на репродуктивную функцию человека, люди полагали, что новая жизнь спонтанно возникает из неживой материи. К сожалению, даже когда ученым удалось увидеть женскую яйцеклетку невооруженным глазом в середине 17 века, мало что изменилось. Они предположили, что вся жизнь была порождена в момент божественного сотворения: подобно матрешке, один человек уже существовал внутри яйцеклетки другого. Этот взгляд на воспроизводство, названный преформацией, вполне устраивал привилегированные слои населения. «Идея о том, что последующие поколения содержались в самом человеке, — пишет португальский биолог и писатель Клара Пинто-Коррейя в книге „The Ovary of Eve“ (1997), — стала „политкорректной“ антидемократической доктриной, косвенно легитимизирующей династическую систему. Конечно же, это было выгодно и самим натурфилософам того времени, людям высокого происхождения».

Читает Тарасов Валентин
PodsteriTunes, YouTubeСкачатьTelegramVKSpotify

Можно было предположить, что по мере развития науки теория «матрешки» будет постепенно разрушена, однако произошло обратное. Когда при помощи микроскопа ученым наконец удалось разглядеть не только яйцеклетку, но и сперматозоид, теория преформации приобрела тщеславный патриархальный оттенок: яйцеклетка представлялась лишь сосудом, в который сперматозоид несет жизнь. Согласно новой теории, головка каждого сперматозоида содержала уже сформированного человека — гомункула. Голландский математик и физик Николас Хартсокер, создатель простого микроскопа с винтовым стволом, нарисовал гомункула после того, как впервые увидел сперматозоид в 1695 году. Позже он признал, что это было лишь плодом фантазии, в реальности которой он сам себя убедил.

Появление более мощных микроскопов в конечном итоге разрушило миф о гомункуле, однако идея пассивной роли яйцеклетки и активной роли сперматозоида, упорно несущего в себе жизнь, сохранилась. Неудивительно, что эта теория породила огромное количество ошибочных сексистских идей и метафор среди обывателей. В этом есть и вина ученых.

Относительно недавно, а именно в 1991 году, антрополог Эмили Мартин, профессор Нью-Йоркского университета, описала явление, которое она назвала «научной сказкой». По ее словам, типичное изображение сперматозоида и яйцеклетки предполагает, что «биологические процессы женщин менее ценны, чем биологические процессы их партнеров-мужчин», и в целом «женщины менее ценны, чем мужчины». К примеру, постоянно подчеркивается тот факт, что яичники обладают ограниченным запасом яйцеклеток, который истощается с течением времени, в то время как яички воспроизводят все новые сперматозоиды на протяжении всей жизни. Воспроизводство яйцеклеток обычно считается расточительной тратой ценного материала, поскольку из 300 тысяч яйцеклеток, остающихся в организме к моменту полового созревания, использовано будет лишь около 400. Тем не менее это сравнение редко используется при описании траты более 2 триллионов сперматозоидов на протяжении жизни одного человека. В научно-популярной литературе процесс зачатия часто изображается как марафонская гонка, в которой только самый быстрый и живучий сперматозоид получит награду в виде возможности оплодотворить яйцеклетку. Если бы этот образ был лишь сексистской фантазией из прошлого, основанной на псевдонаучных доктринах, это было бы не так критично. Однако подобная точка зрения взращивается и подпитывается в настоящее время — и препятствует эффективному лечению бесплодия как у мужчин, так и у женщин.

Чтобы понять, как мы пришли к такому ошибочному видению, необходимо обратиться к истории. Научное понимание половых клеток и процесса зачатия появилось относительно недавно. Яйцеклетка — самая большая клетка человеческого организма, едва различимая невооруженным глазом и по размеру похожая на точку в этом предложении, в то время как сперматозоид — самая маленькая клетка человеческого тела — совершенно невидим без оптических приборов.

Существование сперматозоида оставалось тайной для научного сообщества вплоть до 1677 года, когда голландский ученый-самоучка Антони ван Левенгук впервые разглядел эту крохотную клетку под микроскопом. Примерно в то же время была высказана догадка, что женские яичники производят яйцеклетки, хотя лишь в 1827 году немецкий биолог Карл Эрнст фон Баер впервые сообщил о реальных наблюдениях за яйцеклетками человека и других млекопитающих.

Прошло еще столетие, прежде чем ученые выяснили, что сперматозоиды необходимы для оплодотворения яйцеклеток. Это открытие было сделано в 1760-х годах, когда итальянский иезуит и натуралист Ладзаро Спалланцани, экспериментируя над механизмом совокупления у лягушек, продемонстрировал, что яйцеклетки не превратятся в головастиков без оплодотворяющей силы сперматозоида. Как ни странно, пока Спалланцани не объявил о своих выводах, в научном сообществе было широко распространено мнение, что сперматозоиды — это крошечные паразиты, живущие в сперме человека. Это мнение поддерживал даже сам ван Левенгук, и лишь в 1876 году немецкий зоолог Оскар Хертвиг продемонстрировал слияние сперматозоидов и яйцеклеток на примере морских ежей.

В конце концов при помощи мощных микроскопов ученые выяснили, что в половине чайной ложки спермы — среднем объеме мужского эякулята — содержится около 250 миллионов сперматозоидов. Но главный вопрос остается без ответа: «Почему так много?» В то же время исследования показали, что вероятность беременности снижается, когда в эякуляте мужчины содержится менее 100 миллионов сперматозоидов.

Очевидно, что и половины сперматозоидов, содержащихся в среднем эякуляте, достаточно для нормального оплодотворения. Весьма популярным мнением является заблуждение о конкуренции между сперматозоидами — миф об их маскулинной природе, особенно с примечанием, что в «гонке» за оплодотворение женщины может участвовать не один мужчина. Считается, что эта система подобна лотерее: чем больше билетов вы купите, тем выше вероятность выигрыша. А естественный отбор приводит к увеличению количества сперматозоидов в борьбе за главный приз — оплодотворение яйцеклетки.

Яркие примеры конкуренции между сперматозоидами действительно не редкость в животном мире. Наши ближайшие родственники, шимпанзе, живут в сообществах. В них, как правило, есть несколько взрослых самцов, которые регулярно участвуют в беспорядочных спариваниях; самки в свою очередь также спариваются с несколькими самцами. О высоком уровне фертильности у таких видов млекопитающих говорит множество признаков, например, большие тестикулы. У таких самцов не только выдающиеся размеры семенников, но и более быстрое воспроизведение сперматозоидов, более высокое содержание их в эякуляте, более крупные и активные клеточные органоиды (например, митохондрии, генерирующие энергию для движения), сильные мышцы семявыводящего протока, обеспечивающие более мощное семяизвержение, более крупные везикулы и предстательная железа, а также большее количество лейкоцитов, защищающих от инфекций, передающихся половым путем. Везикулы и предстательная железа вырабатывают семенную жидкость, которая, сворачиваясь, образует пробку во влагалище и блокирует доступ другим самцам.

Популярно мнение, что данный сценарий справедлив и для людей, однако доказательства указывают на обратное. Несмотря на многочисленные утверждения ученых, нет реальных доказательств того, что в мужском организме биологически заложена конкуренция сперматозоидов. История об изобилии сперматозоидов у беспорядочно спаривающихся шимпанзе противоречит тому, что мы наблюдаем у других приматов и людей. Многие приматы живут в группах, где размножается только один самец, и при нехватке конкуренции у них особенно маленькие семенники — это можно сравнить с типичной нуклеарной семьей. Человеческие тестикулы — размером примерно с грецкий орех — составляют лишь треть от размера тестикул шимпанзе, которые по размеру сравнимы с крупным куриным яйцом. Кроме того, почти все сперматозоиды в эякуляте шимпанзе здоровые, в то время как в сперме человека много «холостых» сперматозоидов, что можно объяснить длительным отсутствием прямой конкуренции.

Единственное объяснение большой численности сперматозоидов у видов, для которых не характерна прямая конкуренция сперматозоидов — это генетическое разнообразие. В своих работах, опубликованных более 40 лет назад, биолог Джек Коэн из Бирмингемского университета отметил взаимосвязь между количеством сперматозоидов и образованием хромосомных копий во время производства спермы. Во время мейоза, особого вида деления половых клеток, пары хромосом, переплетаясь, обмениваются частицами генетического материала. Коэн обнаружил, что у разных видов с увеличением количества сперматозоидов увеличивается количество генетических вариаций, необходимых для выживания в условиях естественного отбора. Воспроизводство сперматозоидов и правда чем-то напоминает лотерею, где нужно «вытащить» определенную комбинацию генов — свой счастливый билет.

Популярные представления о процессе оплодотворения ошибочны и во многих других отношениях. К примеру, у многих млекопитающих сперматозоид не самостоятельно движется к яйцеклетке, а направляется туда благодаря сокращениям влагалища и фаллопиевых труб. Удивительно, но сперматозоиды мелких млекопитающих, как правило, длиннее сперматозоидов крупных млекопитающих: сперматозоид мыши превосходит габаритами сперматозоид кита. Однако даже если они были бы одинаковыми по размеру, расстояние, которое необходимо преодолеть, чтобы достичь яйцеклетки, тем больше, чем больше млекопитающее. Поэтому если мышиный сперматозоид в состоянии достичь яйцеклетки самостоятельно, то сперматозоиду кита не покрыть в одиночку расстояние в 100 раз больше. Исследования показали, что при таких обстоятельствах сперматозоид человека пассивно переносится на значительные расстояния по матке и фаллопиевым трубам. Вот вам и марафон сперматозоидов!

В среднем из 250 миллионов сперматозоидов в эякуляте человека только несколько сотен добираются до места оплодотворения. Прохождение спермы по маточным трубам больше похоже на чрезвычайно сложную полосу препятствий, чем на спринтерскую гонку. Количество постепенно сокращается по мере продвижения, так что менее одного из каждого миллиона сперматозоидов будет окружать яйцеклетку во время оплодотворения. Любые сперматозоиды с физическими отклонениями постепенно устраняются на этом пути, а выжившие — случайная выборка нетронутой спермы.

Многие даже не попадают в шейку матки. Кислотные условия во влагалище враждебны, поэтому сперматозоиды часто не выживают. Проходя через шейку матки, они попадают в слизь. Те, что с физическими изъянами, оказываются в ловушке. Более того, сотни тысяч сперматозоидов мигрируют в побочные каналы, называемые железистыми полостями, где они могут находиться до нескольких дней. Относительно небольшое количество сперматозоидов перемещается непосредственно через полость матки, и их количество уменьшается при входе в яйцевод. Оказавшись в маточной трубе, сперматозоиды временно соединяются с внутренней поверхностью, и только некоторые из них высвобождаются и могут приблизиться к яйцеклетке.

Сторонники идеи о том, что оплодотворяющая сперма является своего рода олимпийским чемпионом, умалчивают о факте, что в эякуляте может содержаться слишком много сперматозоидов. В таком случае возникает опасность оплодотворения яйцеклетки более чем одним сперматозоидом (полиспермия) с катастрофическими последствиями. Полиспермия иногда встречается у людей. В наиболее распространенном случае, когда два сперматозоида оплодотворяют яйцеклетку, клетки эмбриона содержат 69 хромосом вместо обычных 46. Такие эмбрионы нежизнеспособны, и обычно все заканчивается выкидышем. Хотя некоторые из них выживают до момента рождения, они всегда умирают вскоре после появления на свет. Поскольку полиспермия зачастую приводит к летальному исходу, эволюция придумала ряд препятствий в женской репродуктивной системе, которые строго ограничивают количество сперматозоидов вокруг яйцеклетки.

Полиспермия имеет практическое значение для искусственного оплодотворения при нарушении фертильности или бесплодия. Например, оригинальная стандартная процедура введения спермы во влагалище для искусственного оплодотворения была заменена прямой инъекцией в матку (внутриматочная инсеминация, или ВМИ). Непосредственное введение позволяет обойтись без уменьшения количества сперматозоидов, которое обычно происходит в шейке матки, где слизь отсеивает физически слабые сперматозоиды. Анализ клинических данных показал, что введения 20 миллионов сперматозоидов в матку (менее десятой части от среднего эякулята) достаточно для достижения беременности.

Количество сперматозоидов становится еще более важным, когда дело доходит до экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) при непосредственном воздействии спермы на яйцеклетку в стеклянном сосуде. Этот метод исключает все естественные фильтры между влагалищем и яйцеклеткой. На раннем этапе развития ЭКО общей тенденцией было использование слишком большого количества сперматозоидов. Это соответствовало цели максимизации успеха оплодотворения, но игнорировало естественные процессы. Большое количество сперматозоидов — от 50 до 500 тысяч — снижало вероятность успеха. Оптимальные показатели оплодотворения были достигнуты при наличии всего 25 000 сперматозоидов вокруг яйцеклетки. И ВМИ, и ЭКО потенциально увеличивают риск полиспермии и вероятность выкидыша.

Возможность полиспермии проливает свет на эволюцию количества сперматозоидов. Дискуссии об их конкуренции, как правило, сосредоточены исключительно на максимизации количества, но, как это часто бывает в биологии, происходит некий обмен. Принимая во внимание, что естественный отбор может привести к увеличению производства спермы, если самцы находятся в прямой конкуренции, это также будет способствовать изменению механизмов в женской системе оплодотворения, ограничивающим количество сперматозоидов около яйцеклетки. У беспорядочно спаривающихся приматов, таких как шимпанзе, увеличение длины яйцевода у потомков женского пола увеличивало выработку сперматозоидов у самцов. Это предположительно ограничивает количество сперматозоидов, приближающихся к яйцеклетке. Такие изменения также показывают, что роль женщины в оплодотворении отнюдь не так пассивна, как это часто считается.

Укоренившаяся идея о «победе лучшей спермы» вызвала различные предположения о том, что происходит какой-то отбор, но трудно представить, как именно. ДНК в головке сперматозоида плотно связана и практически кристаллическая, как ее свойства могут быть обнаружены извне? Эксперименты на мышах показывают, например, что нет никакого отбора между Y-хромосомой, определяющей самца, и X-хромосомой, определяющей самку. Наиболее вероятно, что оплодотворение человека — гигантская лотерея с 250 миллионами билетов, в которой для здоровой спермы успешное оплодотворение — всего лишь счастливый случай..

Другие удивительные особенности спермы также нуждаются в объяснении. Например, давно известно, что человеческая сперма содержит большую долю структурно неработоспособных сперматозоидов с явными дефектами, такими как двойной хвост или крошечные головки. Гипотеза «сперматозоидов-самоубийц» предполагала, что они на самом деле выполняют разные функции в соревновании, например, блокируют или даже убивают сперматозоиды других мужчин. Однако с тех пор идея была успешно опровергнута.

Устоявшееся представление о безумной гонке спермы к яйцеклетке полностью затмило реальную историю размножения. В частности, доказано, что многие сперматозоиды не стремятся к яйцеклетке, а вместо этого хранятся в течение многих дней, прежде чем перейти к следующему этапу. Давно считалось достоверным фактом, что человеческая сперма выживает только в течение двух дней в женских половых путях. Тем не менее с середины 1970-х годов все больше данных показывает, что человеческая сперма может выживать в течение по крайней мере пяти дней. В настоящее время считается, что период выживания сперматозоидов может достигать 10 и более дней.

Других мифов предостаточно. Много было написано о слизи, вырабатываемой шейкой матки человека. В так называемых «естественных» методах контроля рождаемости ее консистенция использовалась в качестве ключевого показателя. Вблизи овуляции шеечная слизь имеет водянистую скользкую текстуру. Но исследований о связи между слизью и хранением сперматозоидов в шейке матки мало. Было четко установлено, что сперма хранится в железистых полостях, из которых вытекает слизь. Но, к сожалению, наши знания об этом процессе ограничиваются одним исследованием, проведенном в 1980 году гинекологом Вацлавом Инслером и его коллегами из Тель-Авивского университета в Израиле.

Во время эксперимента 25 женщин смело вызвались сделать искусственное оплодотворение за день до запланированного хирургического удаления матки (гистерэктомия). Затем Инслер и его команда при помощи микроскопа исследовали сперму, хранящуюся в железистых полостях при последовательных срезах шейки матки. В течение двух часов после осеменения сперматозоиды заселили всю длину шейки матки. Размер железистых полостей был очень изменчив, и сперма хранилась в основном в более крупных. Инслер и его коллеги рассчитали количество железистых полостей, содержащих сперму и плотность сперматозоидов. У некоторых женщин в шейных железистых полостях хранилось до 200 000 сперматозоидов.

Инслер и его коллеги также сообщили, что живая сперма действительно была обнаружена в цервикальной слизи вплоть до девятого дня после осеменения. Обобщая имеющиеся доказательства, они предположили, что после осеменения шейка матки служит резервуаром спермы, из которого постепенно выделяются жизнеспособные сперматозоиды, чтобы пробиться вверх по маточным трубам. Этот драматический вывод широко цитировался, но в значительной степени игнорировался, а обновленных исследований не проводили.

В толстом учебнике «Conception in the Human Female» (англ. «Зачатие в женщине») (1980) сэр Роберт Эдвардс, лауреат Нобелевской премии 2010 года за развитие ЭКО, упомянул шейные железистые полости в одном предложении. С тех пор многие другие авторы упоминали хранение спермы в этих полостях одинаково кратко. Тем не менее хранение спермы с постепенным высвобождением имеет большое значение для репродукции человека. Важно отметить, что широко распространенное представление об ограниченных «фертильных днях» в менструальном цикле зависит от давно принятой мудрости, согласно которой сперматозоиды выживают только два дня после осеменения. Выживание спермы в течение 10 и более дней более радикально разрушает основу для так называемых «естественных» методов контрацепции через избегание оплодотворения. Хранение спермы также имеет прямое отношение к попыткам лечения бесплодия.

Еще одним опасным заблуждением является миф, что мужчины сохраняют полную фертильность в пожилом возрасте, резко контрастируя с прекращением фертильности у женщин в период менопаузы. Многочисленные исследования показывают, что у мужчин количество и качество сперматозоидов снижаются со временем. Недавно выяснилось, что мутации накапливаются в сперматозоидах примерно в четыре раза быстрее, чем в яйцеклетках, поэтому сперма у пожилых людей фактически подвержена риску.

Много было написано о том, что в развитых обществах возраст первого зачатия у женщин увеличивается, что сопровождается медленно нарастающими репродуктивными проблемами. Предлагаемое решение — высокоинвазивная и очень дорогая процедура «сохранения фертильности», при которой у молодых женщин собирают яйцеклетки для использования в более позднем возрасте. Однако увеличение репродуктивных проблем у стареющих мужчин, в частности накопление мутаций в спермотазоидах, широко не упоминалось. Несомненно, одним из очень эффективных и гораздо менее дорогих и инвазивных способов снижения репродуктивных проблем у стареющих пар является хранение образцов спермы, собранной в молодости, которые будут использоваться в более позднем возрасте. Это лишь одно из преимуществ, которые можно получить от меньшего сексизма касательно репродуктивных вопросов и более надежных знаний в этой области.

В настоящее время история гомункула Хартсокера может казаться канувшей в Лету, упоминаемой лишь в виде забавной иллюстрации грубых ошибок ранних исследований человеческих половых клеток. Но ее влияние, наряду с мифом о маскулинной природе спермы, живет в более тонкой форме среди культурных стереотипов, влияющей на вопросы репродуктивной биологии.

Оригинал: Aeon
Автор:
 Роберт Д. Мартин — заслуженный куратор биологической антропологии в Полевом музее Чикаго, член Комитета по эволюционной биологии Чикагского университета и академический гость Института эволюционной медицины в Цюрихском университете. Его последняя книга называется «Как мы это делаем: эволюция и будущее человеческого воспроизводства» (2013).

Переводили: Вера БасковаЕкатерина Егина
Редактировала: 
Анастасия Железнякова