par BBC
À chaque battement de c?ur, un homme peut produire environ 1 000 spermatozoïdes. Lors d'un rapport sexuel, plus de 50 millions de ces intrépides nageurs partent à la recherche d'un ovule à féconder. Seuls quelques-uns parviennent à la destination finale, avant qu'un seul spermatozoïde ne remporte la course et ne pénètre l'ovule.
Mais ce voyage épique - et les explorateurs microscopiques eux-mêmes - reste en grande partie un mystère pour la science.
« Comment un spermatozoïde nage-t-il ? Comment trouve-t-il l'ovule ? Comment féconde-t-il l'ovule ? » s'interroge Sarah Martins da Silva, enseignante clinique en endocrinologie du diabète et en biologie de la reproduction à l'université de Dundee, au Royaume-Uni.
Près de 350 ans après la découverte des spermatozoïdes, nombre de ces questions restent étonnamment ouvertes au débat.
Grâce à de nouvelles méthodes, les scientifiques suivent aujourd'hui la migration des spermatozoïdes, depuis leur genèse dans les testicules jusqu'à la fécondation de l'ovule dans le corps de la femme. Les résultats conduisent à de nouvelles découvertes révolutionnaires, depuis la façon dont les spermatozoïdes nagent réellement jusqu'aux changements étonnamment importants qu'ils subissent lorsqu'ils atteignent le corps de la femme.
Les spermatozoïdes sont « très, très différents » de toutes les autres cellules de la Terre », explique Martins da Silva. « Ils ne gèrent pas l'énergie de la même manière. Ils n'ont pas le même type de métabolisme et de mécanismes cellulaires que l'on s'attendrait à trouver dans toutes les autres cellules ».
Les spermatozoïdes ont besoin de plus d'énergie que les autres cellules en raison de la grande diversité des fonctions qu'ils doivent remplir. De plus, les spermatozoïdes doivent être flexibles, afin de pouvoir répondre aux signaux environnementaux et aux demandes énergétiques variables au cours de l'éjaculation et du voyage le long du tractus féminin, jusqu'à la fécondation.
Les spermatozoïdes sont également les seules cellules humaines qui peuvent survivre en dehors du corps, ajoute Martins da Silva. « C'est pourquoi ils sont extraordinairement spécialisés. Toutefois, en raison de leur taille, ces minuscules cellules sont très difficiles à étudier. Nous savons beaucoup de choses sur la reproduction, mais il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas ».
Une question fondamentale est restée sans réponse après près de 350 ans de recherche : que sont exactement les spermatozoïdes ?
« Le spermatozoïde est incroyablement bien emballé », explique Adam Watkins, professeur agrégé de physiologie de la reproduction et du développement à l'université de Nottingham, au Royaume-Uni. « Nous considérions généralement le spermatozoïde comme un sac d'ADN sur une queue. Mais nous commençons à nous rendre compte qu'il s'agit d'une cellule assez complexe, qui contient beaucoup d'informations génétiques ».
La science du sperme a vu le jour en 1677, lorsque le microbiologiste néerlandais Antoni van Leeuwenhoek a observé, à travers l'un des 500 microscopes qu'il avait fabriqués, ce qu'il a appelé des « animaux à sperme ».
En 1683, il conclut que ce n'est pas l'ovule qui contient l'homme miniature et entier, comme on le croyait auparavant, mais que l'homme provient « d'un animalcule dans la semence masculine ».
En 1685, il avait décidé que chaque spermatozoïde contenait une personne miniature entière, avec sa propre « âme vivante ».
Près de 200 ans plus tard, en 1869, Johannes Friedrich Miescher, médecin et biologiste suisse, étudiait des globules blancs humains prélevés sur du pus laissé sur des pansements d'hôpital souillés lorsqu'il a découvert ce qu'il a appelé de la « nucléine » à l'intérieur des noyaux. Le terme « nucléine » a ensuite été remplacé par « acide nucléique » et est devenu « acide désoxyribonucléique » ou « ADN ».
Afin d'approfondir ses études sur l'ADN, Miescher s'est tourné vers les spermatozoïdes. Les spermatozoïdes de saumon, en particulier, constituaient « une excellente et plus agréable source de matériel nucléaire » en raison de leurs noyaux particulièrement gros. Il a travaillé dans des températures glaciales, en gardant les fenêtres du laboratoire ouvertes, afin d'éviter la détérioration des spermatozoïdes de saumon. En 1874, il identifie un composant de base du spermatozoïde qu'il nomme « protamine ». C'est le premier aperçu des protéines qui composent les spermatozoïdes. Il a toutefois fallu attendre 150 ans pour que les scientifiques identifient le contenu protéique complet des spermatozoïdes.
Depuis, notre compréhension des spermatozoïdes a progressé à pas de géant. Mais beaucoup de choses restent encore mystérieuses, déclare M. Watkins. En commençant à mieux comprendre le développement embryonnaire précoce, les scientifiques se rendent compte que le sperme ne transmet pas seulement les chromosomes du père, mais aussi des informations épigénétiques, une couche supplémentaire d'informations qui affecte la manière dont les gènes doivent être utilisés et le moment où ils doivent l'être. « Cela peut réellement influencer le développement de l'embryon et potentiellement la trajectoire de vie de la progéniture générée par ces spermatozoïdes », déclare Watkins.
Les spermatozoïdes commencent à se former à partir de la puberté, dans des vaisseaux situés à l'intérieur des testicules, appelés tubules séminifères.
« Si vous regardez à l'intérieur des testicules, là où les spermatozoïdes sont fabriqués, il s'agit d'abord d'une cellule ronde qui ressemble à peu près à n'importe quoi d'autre », explique M. Watkins. « Puis elle subit un changement radical et devient une tête de spermatozoïde avec une queue. Aucune autre cellule de l'organisme ne modifie sa structure, sa forme, d'une manière aussi unique ».
Il faut environ neuf semaines aux spermatozoïdes pour atteindre la maturité dans le corps de l'homme. Les spermatozoïdes non éjaculés finissent par mourir et sont réabsorbés dans le corps. Mais les plus chanceux sont éjaculés - et c'est alors que l'aventure commence.
Après l'éjaculation, chacune de ces minuscules cellules doit se propulser vers l'avant (avec ses 50 millions de concurrentes) à l'aide de ses appendices en forme de queue pour nager jusqu'à l'ovule. Bien que vous ayez peut-être vu de nombreuses vidéos de spermatozoïdes ressemblant à des têtards, les scientifiques commencent à peine à comprendre comment les spermatozoïdes nagent réellement.
On pensait auparavant que la queue du spermatozoïde - ou flagelle - se déplaçait d'un côté à l'autre comme celle d'un têtard. Mais en 2023, des chercheurs de l'université de Bristol, au Royaume-Uni, ont découvert que la queue des spermatozoïdes suivait le même modèle de formation de motifs que celui découvert par Alan Turing, mathématicien et spécialiste du décryptage pendant la Seconde Guerre mondiale.
En 1952, Alan Turing s'est rendu compte que les réactions chimiques pouvaient créer des modèles. Il a proposé que deux substances chimiques biologiques se déplaçant et réagissant l'une à l'autre puissent être utilisées pour expliquer certaines des formations de motifs biologiques les plus intrigantes de la nature, notamment celles que l'on trouve dans les empreintes digitales, les plumes, les feuilles et les ondulations du sable - une idée connue sous le nom de théorie de la « réaction-diffusion ». En utilisant la microscopie 3D, les chercheurs de Bristol ont découvert que la queue d'un spermatozoïde - ou flagelle - ondule, générant des ondes qui se déplacent le long de la queue pour la faire avancer. Cette découverte est importante, car la compréhension du mouvement des spermatozoïdes peut aider les scientifiques à comprendre la fertilité masculine.
Les spermatozoïdes sont maintenant en mouvement. Ils traversent le col de l'utérus, pénètrent dans l'utérus et remontent les oviductes - les tubes que les ovules empruntent pour atteindre l'utérus, connus sous le nom de trompes de Fallope chez les femmes - à la recherche de l'ovule. Mais nous nous heurtons ici à une autre lacune dans les connaissances, car les scientifiques ne comprennent pas entièrement comment les spermatozoïdes se frayent un chemin jusqu'à l'ovule.
Les spermatozoïdes sains et qui suivent la bonne voie sont rares. Nombre d'entre eux prennent un mauvais virage dans le labyrinthe qu'est le corps féminin et n'arrivent même pas à s'approcher de la ligne de but. Pour ceux qui parviennent à atteindre les trompes de Fallope, les scientifiques pensent qu'ils peuvent être guidés par des signaux chimiques émis par l'ovule. Selon une théorie récente, les spermatozoïdes utiliseraient des récepteurs gustatifs pour « goûter » leur chemin vers l'ovule.
Une fois que les spermatozoïdes ont trouvé l'ovule, le défi n'est pas terminé. L'ovule est entouré d'une triple armure : la corona radiata, un réseau de cellules, la zone pellucide, un coussin gélatineux composé de protéines, et enfin la membrane plasmique de l'ovule. Les spermatozoïdes doivent se frayer un chemin à travers toutes ces couches, en utilisant des produits chimiques contenus dans leur acrosome, une structure en forme de capuchon sur la tête d'un spermatozoïde contenant des enzymes qui digèrent le revêtement de l'ovule. Toutefois, la cause de la libération de ces enzymes reste un mystère.
Ensuite, les spermatozoïdes utilisent une pointe sur leur « tête » pour tenter de se frayer un chemin jusqu'à l'ovule, en agitant leur queue pour se propulser vers l'avant. Enfin, si un spermatozoïde entre en contact avec la membrane de l'ovule, il est englouti et peut achever la fécondation.
Les cellules humaines sont diploïdes. Cela signifie qu'elles contiennent deux jeux complets de chromosomes, un de chaque parent. Si plus d'un spermatozoïde fusionnait avec l'ovule, une situation appelée polyspermie se produirait. Des cellules non diploïdes, c'est-à-dire avec un nombre incorrect de chromosomes, se développeraient, ce qui serait mortel pour un embryon en pleine croissance.
Pour éviter cela, une fois qu'un spermatozoïde est entré en contact avec lui, l'ovule met rapidement en ?uvre deux mécanismes. Tout d'abord, sa membrane plasmique se dépolarise rapidement, ce qui signifie qu'elle crée une barrière électrique que les autres spermatozoïdes ne peuvent pas franchir. Toutefois, ce mécanisme ne dure qu'un temps avant de revenir à la normale. C'est là qu'intervient la réaction corticale. Une libération soudaine de calcium entraîne le durcissement de la zone pellucide - le « manteau extracellulaire » de l'ovule - créant ainsi une barrière impénétrable.
Ainsi, sur les millions de spermatozoïdes qui se sont mis en route, un seul - au maximum - parvient à faire son travail. L'épopée du spermatozoïde s'achève par sa fusion avec l'ovule. Aujourd'hui, les chercheurs tentent encore de découvrir l'identité et le rôle des protéines de la surface cellulaire qui pourraient être responsables de la reconnaissance, de la liaison et de la fusion entre le spermatozoïde et l'ovule. Ces dernières années, plusieurs protéines ont été identifiées, notamment chez la souris et le poisson, comme étant cruciales pour ce processus, mais de nombreuses molécules impliquées restent inconnues. Ainsi, pour l'instant, la manière dont le spermatozoïde et l'ovule se reconnaissent mutuellement et dont ils fusionnent sont des mystères encore non résolus.
Scott Pitnick, professeur de biologie à l'université de Syracuse, dans l'État de New York, explique que l'une des façons dont les chercheurs espèrent faire la lumière sur les spermatozoïdes consiste à étudier d'autres espèces que la nôtre. Les spermatozoïdes humains sont microscopiques et ne peuvent donc pas être observés à l'?il nu. Mais certaines espèces de mouches des fruits produisent des spermatozoïdes 20 fois plus longs que leur propre corps. C'est comme si un homme produisait des spermatozoïdes de la longueur d'un python de 40 mètres.
Pitnick a conçu les têtes des spermatozoïdes des mouches des fruits de manière à ce qu'elles brillent. Il peut ainsi les observer pendant qu'ils se déplacent dans les voies reproductives de mouches femelles disséquées, révélant ainsi de nouveaux détails sur la fécondation au niveau moléculaire.
« Pourquoi les mâles de certaines espèces produisent-ils quelques spermatozoïdes géants ? demande Pitnick. « Il s'avère que la réponse est que les femelles ont développé des voies reproductives qui les favorisent. Ce n'est pas vraiment une réponse, ajoute-t-il, car elle ne fait que réorienter la question : pourquoi les femelles ont-elles évolué de cette manière ? « Nous ne comprenons toujours pas cette question.
Mais cela nous apprend que les spermatozoïdes tels qu'ils existent dans le corps masculin ne représentent que la moitié de l'histoire, déclare Pitnick. « Historiquement, la science a été marquée par un énorme préjugé sexiste. L'accent a été mis de manière obscène sur les caractéristiques masculines. Or, il s'avère que c'est l'évolution des femmes qui est le moteur du système, et que les hommes essaient simplement de suivre le mouvement.
Selon Pitnick, les spermatozoïdes sont le type de cellule le plus diversifié et le plus rapidement évolutif sur Terre. La raison pour laquelle les spermatozoïdes ont connu une évolution aussi spectaculaire est un mystère qui a déconcerté les biologistes pendant plus d'un siècle.
« Il s'avère que l'appareil reproducteur féminin est un environnement qui évolue incroyablement et rapidement », explique M. Pitnick, et nous ne savons pas grand-chose de ce que font les spermatozoïdes à l'intérieur de la femme. C'est le grand monde caché. Je pense que l'appareil reproducteur féminin est la plus grande frontière inexplorée pour la sélection sexuelle, la théorie et la spéciation [le processus par lequel de nouvelles espèces se forment] ».
Le sperme à longue queue de la drosophile, suggère Pitnick, pourrait être considéré comme un ornement, à l'instar des bois d'un cerf ou de la queue d'un paon.
Les ornements sont une « sorte d'arme de l'évolution », explique M. Pitnick. Plus qu'un simple moyen de défense contre les prédateurs, les ornements tels que les bois et les cornes ont souvent deux rôles à jouer. « Beaucoup de ces armes sont liées au sexe, et généralement à la compétition entre mâles. Le long flagelle du spermatozoïde [de la drosophile] répond vraiment aux critères de définition d'un ornement. Nous pensons que le tractus femelle présente des caractéristiques qui favorisent la fécondation en faveur de certains phénotypes de spermatozoïdes plutôt que d'autres ».
Nous en savons beaucoup sur la sélection sexuelle avant l'accouplement, explique M. Pitnick. « Disons que les poulets de prairie dansent dans une prairie ou qu'un oiseau de paradis s'exhibe dans une forêt tropicale. C'est le mouvement, la couleur, les odeurs ? » Le traitement de ces données sensorielles, explique M. Pitnick, conduit à la prise de décision : le couple s'accouple ou non.
Mais la sélection sexuelle qui s'opère à l'intérieur de la femelle après l'accouplement - et la manière dont elle conduit l'évolution des spermatozoïdes - reste en grande partie un mystère, selon M. Pitnick. « Nous comprenons encore très peu de choses sur la génétique des ornements et des préférences », déclare-t-il.
Pour bien comprendre les spermatozoïdes, il faut réfléchir au cycle de vie complet du spermatozoïde - et le corps de la femme, explique Pitnick, joue un rôle important dans le développement du spermatozoïde. « Les spermatozoïdes ne sont pas matures lorsqu'ils finissent de se développer dans les testicules, ils n'ont pas fini de se développer. Des interactions complexes - et cruciales - se produisent entre les spermatozoïdes et l'appareil reproducteur féminin », ajoute-t-il. « Nous consacrons désormais beaucoup de temps à l'étude de ce que nous appelons les modifications post-éjaculatoires des spermatozoïdes dans l'ensemble du règne animal ».
Alors même que les scientifiques décortiquent les processus nombreux et variés par lesquels passe un spermatozoïde pour parvenir à la fécondation, d'autres recherches suscitent de réelles inquiétudes quant à l'état actuel des spermatozoïdes humains. Les hommes produisent près de mille milliards de spermatozoïdes au cours d'une vie, il peut donc être difficile d'imaginer que les spermatozoïdes sont en difficulté. Pourtant, les recherches suggèrent que le nombre de spermatozoïdes - le nombre de spermatozoïdes dans un échantillon de sperme - est en chute libre à l'échelle mondiale et que ce déclin semble s'accélérer.
Selon un rapport publié en 2023 par l'Organisation mondiale de la santé (OMS), environ un adulte sur six dans le monde souffre d'infertilité - et l'infertilité masculine contribue à environ la moitié de tous les cas. (Il convient également de noter que de nombreuses personnes dans le monde n'ont pas autant d'enfants qu'elles le souhaitent pour d'autres raisons, telles que le coût prohibitif de la parentalité, comme l'a souligné un récent rapport du Fonds des Nations unies pour la population).
La pollution, le tabagisme, l'alcool, une mauvaise alimentation, le manque d'exercice et le stress sont tous considérés comme ayant un impact sur l'infertilité masculine. Pourtant, pour la majorité des hommes ayant des problèmes de fertilité, la cause reste inexpliquée. (Pour en savoir plus sur la baisse de la qualité du sperme dans le monde).
« Avec toutes ces pièces mobiles, il y a tellement de choses qui peuvent mal tourner », explique Hannah Morgan, associée de recherche postdoctorale en santé maternelle et f?tale à l'université de Manchester, au Royaume-Uni. "Il peut s'agir d'un mécanisme : il ne nage pas très bien et ne peut donc pas atteindre l'?uf. Il peut aussi s'agir de quelque chose de plus complexe dans la tête du spermatozoïde ou dans d'autres régions du spermatozoïde. Le spermatozoïde est tellement spécialisé dans de nombreux domaines que de nombreux petits problèmes peuvent survenir".
L'un des moyens de savoir si un homme est infertile est de regarder à l'intérieur du sperme, explique Morgan. "Comment se présente l'ADN ? Comment est-il emballé ? Comment est-il fragmenté ? Pour ouvrir le sperme, il y a toute une série de choses que l'on peut examiner. Mais qu'est-ce qu'une bonne ou une mauvaise mesure ? Nous ne le savons pas vraiment".
Peut-être qu'en perçant le mystère des spermatozoïdes et de leur fonctionnement, dit Morgan, nous pourrions commencer à comprendre aussi l'infertilité masculine.
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