Nếu bạn nhìn vào một tế bào tinh trùng chuột qua kính hiển vi, như nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Kristin Hook đã làm hàng trăm lần trong khi làm việc trong phòng thí nghiệm của Heidi Fisher tại Đại học Maryland, College Park, bạn có thể sẽ thấy một cái móc nổi bật, giống như móng vuốt cong từ đầu của nó. Những móc tinh trùng này được tìm thấy không chỉ ở động vật thuộc chi Peromyscus, mà Hook nghiên cứu, mà trên hầu hết tất cả các con chuột - đó là lý do tại sao thật đáng ngạc nhiên khi các nhà khoa học không biết chúng dùng để làm gì.
Mặc dù mục đích duy nhất của chúng - thụ tinh cho trứng - tinh trùng là một trong những loại tế bào đa dạng nhất trên Trái đất. "Một số có nhiều móc [trong khi] một số có nhiều đầu. . . . Chúng có số lượng lớn sự đa dạng về kích thước và hình dạng", Fisher, một nhà sinh vật học tiến hóa, nói với The Scientist. "Câu hỏi là, tại sao?" Cô nói rằng Hook, hiện là một nhà sinh vật học thuộc Văn phòng Trách nhiệm Chính phủ Hoa Kỳ, là một người tuyệt vời để có trong vụ án - và không chỉ vì họ của cô.
Một manh mối về chức năng móc tinh trùng dường như xuất hiện khoảng hai thập kỷ trước, khi một nghiên cứu trên chuột gỗ báo cáo rằng móc giúp tinh trùng khóa lại với nhau - ở đầu hoặc từ đầu đến đuôi - để tạo thành các cụm hoặc tàu bơi nhanh hơn các tế bào riêng lẻ. Sự nhanh chóng này có thể có lợi ở các loài chuột lăng nhăng hơn, trong đó con cái giao phối với nhiều con đực liên tiếp, với tinh trùng đặc biệt móc kiếm được sự gia tăng so với tinh trùng từ những con đực khác.
Nhưng cũng có sự phản đối. Tinh trùng từ một số loài chuột không tổng hợp. Trên thực tế, sự kết hợp tinh trùng là rất hiếm. Nhà sinh vật học tiến hóa Renée Firman của Đại học Tây Úc, ví dụ, đã khảo sát hình thái tinh trùng của các loài chuột Khác nhau của Úc, bao gồm cả chuột nội địa cát (Pseudomys hermannsburgensis). Vào năm 2013, cô đã công bố một nghiên cứu chi tiết rằng những con chuột này có "phức hợp móc tinh trùng phức tạp", Firman nói, có chứa ba móc riêng lẻ - nhưng tinh trùng không tụ lại với nhau.
Peromyscus là một hệ thống tuyệt vời để kiểm tra các giả thuyết về móc tinh trùng, Fisher nói. Các loài có liên quan chặt chẽ trong chi này khác nhau về mức độ lăng nhăng của chúng - một số loài là một vợ một chồng, trong khi những loài khác có nhiều bạn tình - và chỉ có nhóm tinh trùng của một số loài với nhau, mặc dù tất cả chúng đều có móc. Trong một nghiên cứu, được công bố trực tuyến vào mùa thu năm ngoái, cô, Hook và nghiên cứu sinh Tiến sĩ David Webber phát hiện ra rằng tập hợp tinh trùng ở chuột Peromyscus đa thê bơi nhanh hơn so với những con ở các loài một vợ một chồng, ủng hộ ý tưởng rằng tổng hợp có liên quan đến cạnh tranh tinh trùng.
Để đo lường cách móc tinh trùng ảnh hưởng đến sự tổng hợp, Hook và Fisher đã ghi lại video về tinh trùng từ sáu loài Peromyscus, phân tích chiều dài, chiều rộng và độ cong của móc ảnh hưởng đến số lượng tinh trùng trong u liệu như thế nào. Bằng chứng, được công bố trên Tạp chí Cells, cho thấy có một kích thước móc tối ưu cho sự vón cục của tinh trùng: trong khi các cấu trúc là cần thiết cho các bó tinh trùng di chuyển nhanh để hình thành, móc lớn hơn ngăn chặn tinh trùng nhóm lại một cách hiệu quả. Nhưng các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng kích thước móc cho thấy không có mối tương quan với sự lăng nhăng của các loài, khiến mối liên hệ giữa kích thước móc và cạnh tranh tinh trùng trở nên u ám.
Một khả năng, Hook và Fisher nhận ra, là móc có thể ảnh hưởng đến không chỉ tập hợp, mà còn bơi lội của một tinh trùng riêng lẻ. Và, nhờ một kỳ nghỉ may mắn, cặp đôi gần đây đã có thể thử nghiệm ý tưởng này. Vài tháng trước, khi Hook đang quay video một mẫu tinh trùng Peromyscus leucopus trong đĩa petri để ghi lại kích thước và tốc độ của chúng, cô nhận thấy rằng móc của tinh trùng đã bị mất. Cô ngay lập tức chạy sang bên cạnh để nói với Fisher. Fisher ban đầu hoài nghi - thật khó để nhìn thấy móc trên tinh trùng khi chúng đang lao xung quanh trong một đĩa petri, cô nói với The Scientist. Nhưng Fisher đã nhìn và thấy, trước sự ngạc nhiên của cô, rằng tinh trùng thực sự không có móc.
Fisher nói với Hook để di chuyển nhanh chóng và bảo tồn tinh trùng, cũng như mọi mô trong chuột họ đến từ, nghĩ rằng họ có thể đã vấp phải một cái gì đó rất hiếm. Nhưng chỉ vài tuần sau, Hook tìm thấy một người đàn ông khác có tinh trùng không móc. Sau đó, một người khác, và một người khác. Sau khi phân tích hàng chục động vật, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng khoảng 1 trong 10 động vật trong thuộc địa chuột Peromyscus của họ không có móc.
Đó là cơ hội hoàn hảo để kiểm tra giả thuyết rằng móc làm tăng tốc độ của từng tinh trùng, Fisher nói. Nhưng sau khi phân tích hơn 30 con vật, cả hai đều có móc và không có, Hook đã tìm thấy điều ngược lại. "[Cái móc] dường như làm chậm chúng như các tế bào đơn lẻ, điều này rất thú vị", Fisher nói. "Tại sao nó có trong hầu hết tinh trùng ở hầu hết các loài nếu nó ức chế vận tốc tinh trùng?" Các móc dường như cũng không cần thiết cho một con đực sinh sản - những con chuột có tinh trùng không móc có khả năng sinh sản, mặc dù chúng dường như có số lượng tinh trùng thấp hơn. Fisher nói rằng cô nghi ngờ rằng tinh trùng không móc có thể đã phát sinh một cách tự nhiên do những con chuột bị giam cầm, và sự không móc nối đó không đại diện cho P. leucopus nói chung.
Firman nói rằng kết quả phù hợp với những phát hiện của cô ở chuột hoang Dã Úc. "Không có bằng chứng [trong nghiên cứu tế bào] cho thấy điều đó ... móc chuột có liên quan đến sự cạnh tranh tinh trùng", cô nói. Nhưng Eduardo Roldan, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Tây Ban Nha ở Madrid, cho biết ông vẫn nghĩ rằng có một vai trò cho móc tinh trùng trong cạnh tranh tinh trùng ở một số loài. "Tướng quân của tôi... kết luận là có thể có sự khác biệt giữa các loài hoặc giữa các nhóm loài về cách móc phục vụ để tổng hợp tinh trùng hoặc ảnh hưởng đến mô hình bơi lội, không chỉ vận tốc mà còn cả quỹ đạo của tinh trùng, ông nói. Mặc dù móc lớn hơn có thể ngăn chặn tinh trùng hình thành các uẩn, ví dụ, một số nghiên cứu giữa các loài cho thấy, so với con đực ở các loài ít lăng nhăng hơn, con đực ở các loài lăng nhăng hơn tạo ra tinh trùng với các móc lớn hơn cong chặt hơn, có lẽ ảnh hưởng đến mô hình bơi lội.
Fisher nói rằng cô nghĩ rằng, thay vì ảnh hưởng đến sự kết hợp hoặc tốc độ bơi, móc tinh trùng có thể có "liên quan đến đường sinh sản nữ hoặc tương tác với trứng". Tinh trùng, Fisher nói, có thể sử dụng móc của chúng để bám vào hai bên đường sinh sản nữ, ở đó lâu hơn để không tiêu tốn quá nhiều năng lượng khi chúng bơi lên đường và chờ thụ tinh. "Hầu hết chúng ta trong lĩnh vực này cho rằng sự đa dạng [tinh trùng] đến từ ... đa dạng cơ chế hay phương thức thụ tinh... hoặc sự phối hợp của hình dạng tinh trùng với các đặc điểm khác nhau của đường sinh sản nữ", cô nói. Bà nói thêm rằng các nghiên cứu của Hook giúp đưa lĩnh vực này tiến gần hơn đến việc liên kết "hình thức và chức năng" của tinh trùng, đưa ra cái nhìn sâu sắc về lý do tại sao tinh trùng có sự đa dạng như chúng.
