Тело спермия цилиндрической формы, длиной около 10 мкм. В месте перехода от шейки к телу видны вакуоли и гранулы разной величины. В теле находится осевая нить спермия. Ее внутренние фибриллы очень чувствительно реагируют на определенные ферменты, в то время как наружные резистентны. Кроме этого зрелые спермии имеют двойное спиральное кольцо (двойное кольцо
Иенсена), которое обвивается вокруг осевой нити по всему телу в направлении против часовой стрелки. Это кольцо состоит из митохондрий (частички диаметром от 0,5 до 2 мкм разной формы). Осевая нить и спиральные кольца окружены внутренним слоем плазмы и в целом отделены от эктоплазмы.
Хвост спермия представляет собой продолжение тела и является органом поступательного движения. Его длина около 50 мкм. Границей тела и началом хвоста считают замыкающее кольцо вокруг осевой нити (последнее кольцо Иенсена). Хвост по всей своей длине тянется, в виде осевой нити, обвитой, за исключением кончика, тремя чрезвычайно тонкими спиральными фибриллами.
У спермиев имеется оболочка, выступающая вокруг головки в виде прозрачного ободочка, а в области хвоста и других участков — напоминающая лоскутки разорвавшейся тонкой плотной ткани. Эта оболочка выявляется под микроскопом только после длительного хранения спермы или выдерживания спермиев в воде. Оболочка состоит преимущественно из цистина и является таким же белковым образованием, как и кератин кожи. Белок, содержащий серу, придает оболочке спермия прочность. Она имеет большую проницаемость, благодаря чему при обмене веществ возможна диффузия.
СВОЙСТВА СПЕРМИЕВ
Успех искусственного осеменения зависит от жизнеспособности спермиев, устойчивости во внешней среде и в половом аппарате самки, от активности участия в оплодотворении, в частности от их подвижности. В зависимости от состояния спермиев и окружающих условий интенсивность движения, например, спермиев барана колеблется от 1,9 до 15,4 мм в минуту. Установлено, что спермии быка могут передвигаться за минуту в среднем на 4,02 мм, барана — на 4,6, жеребца — на 5,22, кобеля — на 2,58, петуха — на 1,02 мм.
При рассматривании только что полученной спермы под микроскопом можно всегда заметить, что одни спермии активно движутся поступательно, другие — по кругу, третьи только колеблются, четвертые остаются неподвижными. И чем больше проходит времени с момента получения спермы, тем слабее становятся движения спермиев и тем больше появляется спермиев с колебательным движением и неподвижных.
Различная активность движения спермиев зависит от их зрелости, возраста, возбудимости, а также от влияния внешних факторов вообще и в частности жидкой среды, в которой они находятся. Специальными исследованиями установлено, что физиологические свойства спермиев неодинаковы. Так, спермии, полученные из головки придатка, очень неустойчивы к внешнему воздействию по сравнению со спермиями из хвоста придатка или из эякулята. Спермии из головки придатка могут жить вне организма несколько минут или часов, а продолжительность жизни спермиев из хвоста придатка исчисляется сутками. Спермии из головки придатка очень быстро становятся неподвижными, если их поместить в кислую среду, а спермии из хвоста придатка сохраняют способность к движению и в кислой среде. По мнению ряда авторов, устойчивость зрелых спермиев обусловливается их липопро- теидным покровом, образующимся при продвижении спермиев по каналу придатка. Сохранение липопротеидного покрова спермиев во время работы со спермой при проведении искусственного осеменения (сохранение, разбавление спермы) имеет большое значение для живучести спермиев, так как покров придает им одноименный (отрицательный) электрический заряд, предотвращающий их агглютинацию под действием электростатических сил.
Все нормальные зрелые спермии обладают прямолинейным головным поступательным движением. Движения хвостов спермиев в сыворотке толкают их вперед, а отрицательные заряды всех спермиев предупреждаюу их столкновение. Поэтому в густой сперме сочетание двух сил (электростатическое отталкивание спермиев друг от друга и их активное движение вперед) обусловливают некоторое упорядочение в расположении и движении спермиев, проявляющееся в образовании в эякуляте потоков, вихреобразных движений, видимых невооруженным глазом. По степени выраженности вихревых движений можно судить о качестве спермы быка и барана.
Спермиоагглютинация — склеивание спермиев головками или всем телом вследствие ослабления или нейтрализация отрицательного электрического заряда. Спермиоагглютинация может быть обратимой, если спермии склеиваются только головками и сохраняют подвижность хвоста — «звездчатая агглютинация», и необратимой, когда спермии беспорядочно склеиваются друг с другом и неподвижны (мертвые) — «массовая коагуляция спермиев».
Нейтрализация электрических зарядов спермиев происходит при содержании в сперме положительно заряженных частиц. Наиболее частая причина спермиоагглютинации — увеличение в сперме количества водородных ионов вследствие повышения в ней концентрации молочной кислоты. При кислотности (рН) 5,0—6,4 происходит звездчатая агглютинация. При дальнейшем повышении кислотности явления спермиоагглютинации усиливаются. Спер- мио- агглютинация легко возникает при наличии ионов многовалентных металлов, а также под влиянием спермиоаг- глютининов, имеющихся в сперме и во влагалище самки.
Е. С. Лондон доказал существование изоспермиоагглютининов,. вызывающих агглютинацию спермиев своего вида (например, сыворотка крови коров может агглютинировать спермиев быка), и гетероспермиоагглютининов, действующих на спермиев животного другого вида (например, сыворотка крови, влагалищный секрет, слизь из матки вызывают агглютинацию спермиев самцов другого вида и не влияют на половые клетки самцов своего вида). Образование спермиоагглютининов — реакция организма на парентеральное проникновение белков спермы. Поэтому у молодых неосеменявшихся самок спермиоагглютининов нет или их мало, а у осемененных, особенно у рожавших самок, их количество увеличивается. Возможность спермиоагглютинации следует учитывать при использовании в качестве разбавителей спермы молока или сыворотки крови.
Агглютинацию спермиев можно преодолеть реакцией антиагглютинации. В естественных условиях в половых органах самки агглютинации спермиев препятствуют антиагглютинины, содержащиеся в фолликулярной жидкости яичника и в сперме (секрет простатической железы). По этой причине агглютинация в сперме здоровых животных встречается редко.
Дыхание и гликолиз спермиев. И. И. Иванов (1911) впервые установил, что спермии млекопитающих способны усваивать кислород воздуха. Последующими очень важными исследованиями Н. П. Шергина и других авторов была доказана различная интенсивность дыхания спермиев животных разных видов. Так, 100 млн спермиев быка при 20 "С потребляют в час 3,4 мм3, барана — 8,4, хряка — 7,2, жеребца — 4,3 мм3 кислорода. В целом спермии сельскохозяйственных животных поглощают кислород сильнее, чем клетки легких и селезенки.
Понижение температуры спермы на каждые 10 °С снижает интенсивность дыхания спермиев в 2 раза. При температуре, близкой к 0 °С, дыхание выражено очень слабо. Повышение кислотности тормозит дыхание, а изменение реакции в сторону щелочности усиливает его.
Дыхание — основной биохимический процесс, обеспечивающий спермиев необходимой энергией для движения. Около 90 % всей энергии спермии получают за счет дыхания. В процессе дыхания под влиянием кислорода окисляются углеводы, липиды (фосфатиды), белки и жиры. Прежде всего окисляются простые сахара (моносахариды) — фруктоза и глюкоза, а затем другие вещества. В результате дыхания образуются углекислота, вода и аммиак (при окислении белков) и выделяется большое количество энергии, используемой спермиями для движения. Например, при распаде одной грамм-молекулы фруктозы выделяется 680 тыс. малых калорий. Спермии легко окисляют также сорбит (многоатомный спирт), поступающий в сперму с секретом пузырьковидных желез. Отчасти он образуется спермиями из фруктозы и глюкозы. Поскольку фруктозы больше всего в сперме быка, барана, то в сперме этих животных и больше сорбита: в сперме быка — 10—136 мг%, барана —26—120, хряка — 6—18 и жеребца — 20—60 мг%.
Кроме Сахаров и сорбита при дыхании спермиев расходуются и липиды (в основном липиды-фосфатиды, производные лецитина). Но их окисление происходит несколько медленнее. Наиболее интенсивно расходуются липиды в сперме барана, очевидно, потому, что в ней запасы сахара истощаются в течение 3—6 ч (табл. 4).
| Производитель | Содержат в 100 мл спе | 1е липидов свежей рмы | Расход липидов за сутки |
| в спер- миях | в сыворотке спермы | на дыхание | потеря в окружающую среду |
| 4. Содержание липццов в сперме и их расходование за сутки при 20 °С (мг %) (по Т. Н. Несмеяновой) |
| Баран 379 Бык 109 Жеребец 27 Хряк 24 |
| 61 43 15 5 |
| 68,0 11,5 2,6 1,6 |
| 6,0 10,6 0,8 0,2 |
Дыхание спермиев происходит так же, как и других клеток организма. Оно осуществляется под влиянием ферментов, главным образом цитохромоксида- зы. В настоящее время в сперме найден весь комплекс окислительных ферментов, установленный при изучении обмена веществ во всех органах и тканях организма. Количество ферментов в сперме варьирует в зависимости от вида животного. Их в несколько раз больше в сперме жеребца и хряка, чем в сперме быка и барана.
Спермии относятся к факультативным анаэробам, т. е. они могут двигаться как в присутствии кислорода, так и без него.
Н. П. Шергин установил, что в сперме животных с влагалищным типом осеменения (бык, баран, олень) содержится значительное количество сахара (до 1500 мг%); в сперме животных с маточным типом осеменения выявляются лишь следы сахара, поэтому спермии не обладают или имеют слабовыраженную способность к гликолизу.
При отсутствии кислорода источником энергии спермиев является сахар (фруктоза и глюкоза), который они могут усваивать из сыворотки спермы путем гликолиза или фруктолиза. Первоначально обычно расходуется глюкоза, потом фруктоза. В сперме петухов гликолиз протекает исключительно с использованием глюкозы, так как в ней фруктоза практически отсутствует. Превращение указанных Сахаров в молочную кислоту сопровождается выделением энергии (табл. 5). Однако при фрук- толизе выделяется почти в 20 раз меньше энергии, чем при дыхании. Н. П. Шергин, а затем Манн указывают, что гликолиз в сперме происходит с образованием ряда промежуточных продуктов, очень близких к обнаруженным при гликолизе в мышечных клетках.
5. Расход сахара и образование молочной кислоты в сперме животных при 20 °С (мг %) (Н. П. Шергин, В. А. Яблонский и др.)
|
Гликолиз наиболее интенсивно происходит при рН 7,6; при подкисле- нии спермы до рН 6,4 или повышении
ее щелочности гликолиз замедляется.
В сперме содержится в основном фруктоза; образуется она главным образом в пузырьковидных железах под влиянием гормонов семенников, передней доли гипофиза и поджелудочной железы. Поэтому в спермиях, находящихся в семенниках и придатке семенника, не бывает фруктолиза.
При добавлении к сперме глюкозы дыхательный коэффициент (молярное отношение выделенной углекислоты к поглощенному кислороду — СО^О^) повышается, что свидетельствует об интенсивном использовании сахара. Спермии способны воспринимать сахар из сыворотки, поэтому включение в состав разбавителей спермы Сахаров удлиняет их жизнь, так как предотвращает расходование энергетических ресурсов самих спермиев. Через оболочку спермия легко проникает свободная глюкоза или фруктоза, труднее проходят дисахари- ды, и она совершенно непроницаема для фосфорилированных Сахаров.
При наличии кислорода спермии используют часть лактата молочной кислоты, образовавшейся при гликолизе, для дыхания и за счет этого восстанавливают некоторое количество глюкозы. Однако процесс дыхания не может предотвратить накопление в сперме молочной кислоты даже при содержании в атмосфере чистого кислорода.
Из большой и сложной проблемы обмена веществ у спермиев для практики искусственного осеменения очень важно то, что спермии млекопитающих во внешней среде обладают способностью воспринимать кислород и глюкозу, а при наличии сахара могут жить и двигаться без кислорода. Спермии способны жить в бескислородной среде дольше, чем в присутствии кислорода. На этом свойстве спермиев основан метод сохранения спермы под слоем вазелинового масла, ограничивающего ее аэрацию, а следовательно, и окислительные процессы. С накоплением молочной кислоты спермии переходят в анабиотическое состояние; при изменении реакции жидкой среды в сторону щелочности и повышении температуры движение их вновь восстанавливается.
Кислотный анабиоз можно использовать для сохранения спермы. Перевод спермы в анабиотическое состояние позволяет удлинить срок ее хранения вне организма на несколько дней. Затем подогреванием или подщелачиванием сперму переводят опять в активное состояние. Чем выше кислотность спермы, тем выше должна быть температура для перевода ее в активное состояние. Например, в сперме с рН 7,6 спермии двигаются при 15—20 °С; в сперме с рН 6,0 движение начинается только при 35—40 °С. При рН 4,5 одно повышение температуры не выводит спермиев из анабиоза; они становятся подвижными лишь под действием температуры в сочетании с подщелачиванием среды. При более низком рН и длительном хранении спермии погибают. За счет выделения щелочи из погибших спермиев происходит частичная нейтрализация молочной кислоты, а у части спермиев восстанавливается гликолиз до тех пор, пока увеличение концентрации молочной кислоты не прекратит его (Н. П. Шергин). Поэтому в процессе гликолиза наблюдаются скачкообразные изменения рН.
Спермий, будучи узкоспециализированной клеткой,неспособен к синтезу и накоплению органических веществ. В нем преобладают катаболические (разрушительные) процессы перед анаболическими (созидательными). Ассимиляция глюкозы не прекращает, а только иногда может замедлять процесс разрушения спермиев.
Главное отличие спермиев от других клеток —их способность к энергичному, активному движению за счет энергии дыхания и гликолиза. Для движения спермиев, как и для мышечной работы, необходимо особое вещество — адено- зинтрифосфат (АТФ). В сперме плодовитых быков его содержится от 7 до 11 мг%; при снижении АТФ до 3 мг% и более оплодотворяющая способность спермы ухудшается.
С. А. Бурнашева и В. А. Энгельгардт выявили белок спермозин — аналог мышечного белка актомиозина. Под влиянием спермозина, обладающего свойствами фермента аденозинтрифосфата- зы, молекула АТФ распадается на фосфорную кислоту и аденозиндифосфат (АДФ); в результате этого процесса спермий получает энергию, обеспечивающую его подвижность. Оптимальная ферментативная активность спермозина отмечается при рН 8,3. Поэтому под- щелачивание спермы повышает активность движения спермиев. АТФ, добавленный к спермиям, не влияет на их движение, это обусловлено, видимо, тем, что он не проникает через их оболочку. Добавление в сперму Сахаров улучшает гликолиз, а следовательно, и дыхание, что позволяет поддерживать активность спермиев. Образующаяся при этих процессах энергия аккумулируется в результате соединения АДФ с фосфорной кислотой и образования АТФ.
