Исследование показало, что микрогравитация нарушает оплодотворение и развитие эмбрионов

Когда речь заходит об успешном оплодотворении, невесомость означает полный провал, предполагает новое исследование. Изучая сперматозоиды и яйцеклетки в условиях микрогравитации, ученые обнаружили, что такая среда препятствует навигации сперматозоидов, оплодотворению и развитию эмбрионов, создавая серьезные проблемы для будущего космической колонизации.

Это исследование на людях, мышах и свиньях, опубликованное в четверг (26 марта) в журнале Communications Biology, показало, что из-за микрогравитации сперматозоиды теряют ориентацию, у мышиных яйцеклеток снижается успешность оплодотворения, а у свиных эмбрионов наблюдаются задержки развития. Полученные результаты имеют большое значение для создания устойчивого присутствия человека за пределами Земли. Долгосрочные поселения, планируемые на Луне и Марсе, зависят не только от выживания астронавтов, но и от того, смогут ли люди в конечном итоге размножаться там.

Предыдущие исследования показали, что микрогравитация может нарушать выработку эстрогена и снижать количество сперматозоидов у мышей. Однако то, что происходит на клеточном уровне, когда сперматозоид и яйцеклетка парят в условиях, близких к невесомости, оставалось неясным.

Для имитации микрогравитации исследователи использовали устройство, называемое клиностатом. Николь Макферсон, руководитель группы по изучению спермы и эмбрионов в Институте Робинсона при Университете Аделаиды и старший автор исследования, объяснила Live Science по электронной почте: «Клиностат работает путем непрерывного вращения клеток или образцов в нескольких направлениях, по сути, рандомизируя направление гравитационного притяжения настолько быстро, что клетки никогда не успевают осесть или сориентироваться. С точки зрения клетки, не существует постоянного „верха“ или „низа“ — она испытывает своего рода непрерывное свободное падение, которое очень точно имитирует то, что живые клетки испытывают в невесомости космоса».

Сперматозоиды в микрогравитации

Используя свой космический симулятор, исследователи поместили сперматозоиды человека и мыши в небольшие лабиринты, имитирующие женские репродуктивные пути. В обоих случаях в условиях микрогравитации успешно пройти лабиринт удалось меньшему количеству сперматозоидов по сравнению с теми, что двигались в условиях земной гравитации.

«Многие белки, находящиеся на сперматозоидах, действуют как механосенсоры — крошечные молекулярные устройства, которые обнаруживают физические силы, — пояснила Макферсон. — Уберите силу гравитации, и логично предположить, что эти сенсоры собьются с толку, нарушив способность сперматозоидов ориентироваться и перемещаться».

В нормальных условиях, при наличии земного притяжения, женский репродуктивный тракт после овуляции выделяет гормон прогестерон, который служит химическим сигналом, помогающим сперматозоидам ориентироваться по направлению к яйцеклетке, рассказала Макферсон. Чтобы попытаться повысить шансы на то, что сперматозоиды человека достигнут яйцеклетки в микрогравитации, исследователи добавили этот гормон в систему.

«Это помогло в некоторой степени, но концентрации, необходимые для достижения эффекта, были намного выше, чем те, которые естественным образом возникают в женских репродуктивных путях», — отметила Макферсон. Теоретически можно было бы вводить высокие дозы прогестерона, но, по ее словам, необходимы дополнительные исследования безопасности и эффективности, прежде чем этот гормон можно будет назначать в качестве усилителя фертильности для космических путешественников.

Снижение оплодотворения и задержки развития

Далее исследователи изучили оплодотворение и развитие эмбрионов на яйцеклетках мыши и свиньи. Успешность оплодотворения в условиях микрогравитации оказалась на 30% ниже для мышиных яйцеклеток и примерно на 15% ниже для свиных яйцеклеток по сравнению с земной гравитацией.

Через шесть дней после оплодотворения у свиных эмбрионов наблюдались признаки задержки развития. «После оплодотворения эмбриону все еще необходимо имплантироваться в стенку матки — процесс, для работы которого используются гравитационные сигналы, — пояснила Макферсон. — Затем клетки эмбриона должны правильно организоваться, чтобы в конечном итоге сформировать каждый орган в теле, поддерживаемый плацентой, которая должна функционировать должным образом на протяжении всей беременности. Микрогравитация потенциально может нарушить любую из этих стадий».

Хотя эти результаты создают серьезные проблемы для будущего космической колонизации, они также дают ученым лучшее понимание того, как гравитация влияет на развитие жизни здесь, на Земле. «С того момента, как сперматозоид начинает свой путь, и до момента, когда эмбрион начинает развиваться, гравитация, по-видимому, играет роль, которую мы только начинаем раскрывать, — сказала Макферсон. — Гравитация — это не просто фон для жизни; она глубоко встроена в биологические процессы, которые эту жизнь создают».

Полученные данные заставляют по-новому взглянуть на планы долгосрочных космических миссий и колонизации других планет. Если зачатие и раннее развитие эмбрионов в условиях пониженной гравитации действительно нарушены, то даже успешный полет на Марс (который займет около 8–9 месяцев) не гарантирует возможности воспроизводства населения на месте. Это ставит под вопрос саму идею создания «космических поколений» — людей, рожденных и выросших за пределами Земли, — без разработки специальных технологических решений, таких как создание искусственной гравитации на космических аппаратах и в поселениях.

Особую тревогу вызывают задержки развития эмбрионов, выявленные на свиной модели. Свиньи, как и люди, являются млекопитающими с длительным сроком гестации, и их эмбриональное развитие имеет много общих черт с человеческим. Тот факт, что уже на шестой день после оплодотворения наблюдались отклонения, говорит о том, что критические окна уязвимости могут открываться на самых ранних стадиях — еще до того, как женщина может узнать о своей беременности. Это означает, что даже кратковременное пребывание в условиях микрогравитации может нести риски для репродуктивного здоровья.

Не менее важно и то, что исследование выявило потенциальный способ коррекции — использование прогестерона. Однако необходимость в сверхфизиологических дозах этого гормона вызывает опасения относительно возможных побочных эффектов как для матери, так и для развивающегося плода. Дальнейшие исследования в этой области должны будут определить безопасные протоколы гормональной поддержки репродуктивной функции в космосе.

Результаты работы также имеют значение для фундаментальной биологии. Они подтверждают гипотезу о том, что гравитация является неотъемлемым фактором эволюции живых организмов на Земле. Механосенсорные механизмы, обеспечивающие ориентацию сперматозоидов и правильную имплантацию эмбриона, формировались миллионы лет в условиях постоянного гравитационного поля нашей планеты. Изучение того, как эти механизмы дают сбой при его отсутствии, позволяет лучше понять их устройство и, возможно, пролить свет на причины некоторых форм бесплодия на Земле, связанных с нарушением клеточной сигнализации.

Авторы исследования подчеркивают необходимость проведения аналогичных экспериментов в условиях реальной космической микрогравитации — на борту Международной космической станции — для подтверждения полученных на клиностате данных. Только после этого можно будет разрабатывать четкие рекомендации для космических агентств и частных компаний, планирующих миссии по колонизации Луны и Марса. Пока же результаты служат отрезвляющим напоминанием о том, что освоение космоса потребует не только инженерных, но и глубоких биологических решений.