Coordinated Motors Found in Sperm Tails by Thermodynamics
Observing changes in the macroscopic sperm tail beating can help researchers understand the functioning of the nanoscale motors that drive tail beating.
A sperm cell's flagellum, which beats constantly, is propelled by hundreds of millions of molecular motors. These motors are too little to be seen in sperm cells that are alive and actively reproducing since they are only a few nanometers in size. By observing the precise rhythm in which a sperm's flagellum beats, Andrea Puglisi of Sapienza University of Rome and his colleagues have now shown how to extrapolate how these motors work . Their findings—which might serve as the foundation for a test of sperm cell health—indicate that the motors driving the tail interact aggressively and directly with one another, which is contrary to what was previously thought to be the case. It amazes Puglisi that by seeing what occurs at the microscale, we may learn something about what is happening at the molecular level. "I didn't anticipate that,"
A healthy sperm's flagellum beats about 20 times per second within the body. That translates to a tail whip every 0.05 seconds on average. There will, however, be some variance in that cadence for each individual sperm. The pounding is generally sporadic. Even for a typical sperm cell, there are several deviations from the norm, according to Puglisi. "Sperm cells in good health can still behave very erratically."
By connecting the accuracy of an item's motion—in this example, how much the speed of each stroke deviates from its average value—and the energy the object uses, thermodynamics sets constraints on such inaccuracies. To be more precise, the accuracy cannot exceed the energy consumption—normalized to allow for comparison of the two values' distinct unit systems. According to Puglisi, the disparity reveals important information. This disparity basically informs us that we need to put in more energy if we want to make the motor of a sperm more exact, bringing the tail beat closer to its average value.
Thermodynamics puts limits on these mistakes by relating the precision of an object's motion—in this case, how much the speed of each stroke deviates from its average value—and the energy the thing requires. To be more specific, the accuracy must be more than the energy consumption, which has been normalized to make it possible to compare the two quantities' different unit systems. Puglisi claims that the discrepancy provides crucial information. This discrepancy effectively tells us that we need to exert more effort if we want to improve the precision of a sperm's motor, which would result in a tail beat that is closer to the average value.
In their studies, the scientists contained the heads of sperm cells in microfabricated "cages," which preserved the sperm while permitting the flagella to beat normally. They spent many hours filming the pounding and examining how the beats changed during that period. The sperm cells are incredibly foolish, adds Puglisi; they swim into these traps and then continue swimming straight. They continue to move their tails in the same manner as they would if they were free.
The scientists measured the accuracy of the flagella's beating and discovered a figure that was far lower than what they had anticipated based on the known energy requirements of sperm. In contrast, this figure equaled the energy usage of a single molecular motor. So what was happening? Calculations made by the scientists revealed a very strong interaction between the molecular motors. Because of this contact, a sperm cell's countless motors work together as a single unit rather than separately. According to Puglisi, "for independent motors, the error—for example, the variance—should decrease with an increasing number of [motors]". The significant inaccuracy we observe leads us to believe the motors are not independent.
This conclusion contradicts the widely held belief about how these motors function, according to Claudio Maggi, who collaborated with Puglisi on this study. Of course, the motors should act in concert to produce the flagella pounding required for the sperm to swim, he asserts. "Our results show it is more than that—they are very closely interacting with each other, and the motors are all working in consort." This finding is supported by further experiments the team conducted.
Maria Tătulea-Codrean, a natural physicist at the College of Cambridge who has focused on the behavior of bacterial flagella, believes that the discovery "focuses a light on the unequivocally coupled elements of sub-atomic engines in a sperm flagellum." She claims that the evidence of engine coordination is very energizing because, according to the state of the craftsmanship techniques, this behavior couldn't be evaluated at the subatomic level.
The group puts "a fascinating twist" on the turbulence in flagella movements, according to Kirsty Wan, a natural physicist at the College of Exeter in the UK who studies flagella. She might wish to see the group do comparison studies using flagella of varying lengths. They would be able to "really confirm" the connection between flagellal fluctuations and the interactions of the molecular motors that propel flagellal motion, she claims.
Puglisi and Maggi believe that their findings may contribute to improve our understanding of how these reproductive cells function as well as enhancing the success of fertility therapies. Energy consumption varies between "healthy" and "sick" sperm cells, which is related to the accuracy of the beating. Clinics might determine a cell's health from the fluctuations and make decisions based on that information, according to Puglisi. "We have demonstrated that measuring this precision in a lab is quite simple." He points out that further research is required to pinpoint the precise relationships between sperm health and beating accuracy. However, he believes that the foundation of this approach might serve as a diagnostic tool. It's an additional method for determining which cell is most "fit" for insemination. That's significant, adds Puglisi.
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थर्मोडायनामिक्स द्वारा स्पर्म टेल्स में समन्वित मोटर्स पाए गए
मैक्रोस्कोपिक स्पर्म टेल बीटिंग में बदलाव देखने से शोधकर्ताओं को नैनोस्केल मोटर्स की कार्यप्रणाली को समझने में मदद मिल सकती है जो टेल बीटिंग को संचालित करते हैं।
एक शुक्राणु कोशिका का फ्लैगेलम, जो लगातार धड़कता है, लाखों आणविक मोटरों द्वारा संचालित होता है। ये मोटरें जीवित और सक्रिय रूप से प्रजनन करने वाली शुक्राणु कोशिकाओं में देखने के लिए बहुत कम हैं क्योंकि इनका आकार केवल कुछ नैनोमीटर है। उस सटीक लय को देखकर जिसमें एक शुक्राणु का फ्लैगेलम धड़कता है, रोम के सैपिएन्ज़ा विश्वविद्यालय के एंड्रिया पुग्लिसी और उनके सहयोगियों ने अब दिखाया है कि ये मोटरें कैसे काम करती हैं [1]। उनके निष्कर्ष - जो शुक्राणु कोशिका स्वास्थ्य के परीक्षण के लिए आधार के रूप में काम कर सकते हैं - संकेत देते हैं कि पूंछ को चलाने वाली मोटरें आक्रामक रूप से और सीधे एक दूसरे के साथ बातचीत करती हैं, जो कि पहले जो सोचा गया था उसके विपरीत है। यह पुग्लिसी को आश्चर्यचकित करता है कि सूक्ष्म स्तर पर जो होता है उसे देखकर, हम आणविक स्तर पर क्या हो रहा है इसके बारे में कुछ सीख सकते हैं। "मैंने इसकी आशा नहीं की थी,"
एक स्वस्थ शुक्राणु का फ्लैगेलम शरीर के भीतर प्रति सेकंड लगभग 20 बार धड़कता है। यानी औसतन हर 0.05 सेकंड में एक टेल व्हिप। हालाँकि, प्रत्येक व्यक्तिगत शुक्राणु के लिए उस ताल में कुछ भिन्नता होगी। पिटाई आम तौर पर छिटपुट होती है। पुग्लिसी के अनुसार, एक सामान्य शुक्राणु कोशिका के लिए भी, मानक से कई विचलन होते हैं। "अच्छे स्वास्थ्य में शुक्राणु कोशिकाएं अभी भी बहुत अनियमित व्यवहार कर सकती हैं।"
किसी वस्तु की गति की सटीकता को जोड़कर - इस उदाहरण में, प्रत्येक स्ट्रोक की गति उसके औसत मूल्य से कितनी भिन्न होती है - और वस्तु कितनी ऊर्जा का उपयोग करती है, थर्मोडायनामिक्स ऐसी अशुद्धियों पर बाधाएं निर्धारित करता है। अधिक सटीक होने के लिए, सटीकता ऊर्जा खपत से अधिक नहीं हो सकती - दो मानों की अलग-अलग इकाई प्रणालियों की तुलना की अनुमति देने के लिए सामान्यीकृत। पुग्लिसी के अनुसार, असमानता से महत्वपूर्ण जानकारी का पता चलता है। यह असमानता मूल रूप से हमें सूचित करती है कि यदि हम शुक्राणु की मोटर को अधिक सटीक बनाना चाहते हैं, तो पूंछ की धड़कन को उसके औसत मूल्य के करीब लाना चाहते हैं, तो हमें अधिक ऊर्जा लगाने की आवश्यकता है।
थर्मोडायनामिक्स किसी वस्तु की गति की सटीकता से संबंधित करके इन गलतियों पर सीमाएं लगाता है - इस मामले में, प्रत्येक स्ट्रोक की गति उसके औसत मूल्य से कितनी भिन्न होती है - और वस्तु को कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। अधिक विशिष्ट होने के लिए, सटीकता ऊर्जा खपत से अधिक होनी चाहिए, जिसे दो मात्राओं की विभिन्न इकाई प्रणालियों की तुलना करना संभव बनाने के लिए सामान्यीकृत किया गया है। पुग्लिसी का दावा है कि विसंगति महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करती है। यह विसंगति प्रभावी रूप से हमें बताती है कि यदि हम शुक्राणु की मोटर की सटीकता में सुधार करना चाहते हैं तो हमें और अधिक प्रयास करने की आवश्यकता है, जिसके परिणामस्वरूप पूंछ की धड़कन औसत मूल्य के करीब होगी।
अपने अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने शुक्राणु कोशिकाओं के सिरों को माइक्रोफैब्रिकेटेड "पिंजरों" में रखा, जो फ्लैगेल्ला को सामान्य रूप से धड़कने की अनुमति देते हुए शुक्राणु को संरक्षित करते थे। उन्होंने धड़कनों का फिल्मांकन करने और यह जांचने में कई घंटे बिताए कि उस अवधि के दौरान धड़कनें कैसे बदल गईं। पुग्लिसी कहते हैं, शुक्राणु कोशिकाएं अविश्वसनीय रूप से मूर्ख होती हैं; वे इन जालों में तैरते हैं और फिर सीधे तैरना जारी रखते हैं। वे अपनी पूँछें उसी प्रकार हिलाते रहते हैं जैसे यदि वे स्वतंत्र होते तो हिलाते।
वैज्ञानिकों ने फ्लैगेल्ला की धड़कन की सटीकता को मापा और एक ऐसा आंकड़ा खोजा जो शुक्राणु की ज्ञात ऊर्जा आवश्यकताओं के आधार पर उनके अनुमान से बहुत कम था। इसके विपरीत, यह आंकड़ा एकल आणविक मोटर के ऊर्जा उपयोग के बराबर है। तो क्या हो रहा था? वैज्ञानिकों द्वारा की गई गणना से आणविक मोटरों के बीच बहुत मजबूत अंतःक्रिया का पता चला। इस संपर्क के कारण, एक शुक्राणु कोशिका की अनगिनत मोटरें अलग-अलग के बजाय एक इकाई के रूप में एक साथ काम करती हैं। पुग्लिसी के अनुसार, "स्वतंत्र मोटरों के लिए, त्रुटि - उदाहरण के लिए, विचरण - [मोटर्स] की बढ़ती संख्या के साथ कम होनी चाहिए"। हम जो महत्वपूर्ण अशुद्धि देखते हैं, वह हमें यह विश्वास दिलाती है कि मोटरें स्वतंत्र नहीं हैं।
इस अध्ययन में पुग्लिसी के साथ सहयोग करने वाले क्लाउडियो मैगी के अनुसार, यह निष्कर्ष व्यापक रूप से प्रचलित धारणा का खंडन करता है कि ये मोटरें कैसे काम करती हैं। बेशक, शुक्राणु को तैरने के लिए आवश्यक फ्लैगेल्ला पाउंडिंग उत्पन्न करने के लिए मोटरों को मिलकर काम करना चाहिए, वह दावा करते हैं। "हमारे परिणाम दिखाते हैं कि यह उससे कहीं अधिक है - वे एक-दूसरे के साथ बहुत निकटता से बातचीत कर रहे हैं, और सभी मोटरें मिलकर काम कर रही हैं।" यह निष्कर्ष टीम द्वारा किए गए आगे के प्रयोगों द्वारा समर्थित है।
कैंब्रिज कॉलेज की प्राकृतिक भौतिक विज्ञानी मारिया टैटुलिया-कोड्रियन, जिन्होंने बैक्टीरियल फ्लैगेला के व्यवहार पर ध्यान केंद्रित किया है, का मानना है कि यह खोज "शुक्राणु फ्लैगेलम में उप-परमाणु इंजनों के स्पष्ट रूप से युग्मित तत्वों पर प्रकाश डालती है।" उनका दावा है कि इंजन समन्वय का प्रमाण बहुत ऊर्जावान है, क्योंकि शिल्प कौशल तकनीकों की स्थिति के अनुसार, इस व्यवहार का मूल्यांकन उप-परमाणु स्तर पर नहीं किया जा सकता है।
एक प्राकृतिक चिकित्सक किर्स्टी वान के अनुसार, समूह फ्लैगेल्ला आंदोलनों में अशांति पर "एक आकर्षक मोड़" डालता है
