У мужских особей всех млекопитающих имеется пенис, который может отвердевать перед совокуплением и участвовать во внутреннем оплодотворении, извергая в половые пути самки миллионы крошечных сперматозоидов за одну эякуляцию. Эти два свойства присущи и мужским половым органам человека и восходят к предкам всех млекопитающих, жившим более 200 млн лет назад. Некоторые фундаментальные особенности строения и выработки сперматозоидов определились еще раньше. Например, не только у млекопитающих, но и у всех позвоночных есть пара семенников, в которых имеются производящие сперматозоиды семенные канальцы. До семяизвержения сперматозоиды хранятся в концевой части плотно свернутого придатка – эпидидимиса. В расправленном виде длина человеческого эпидидимиса (придатка яичка) составляет около шести метров (примерно как длина места для парковки), и на прохождение этого расстояния у сперматозоидов уходит от двух до трех недель. Число сперматозоидов, содержащихся в придатке яичка, обычно составляет около 400 млн.
Процесс выработки сперматозоидов в каждом семенном канальце идет циклически. У человека такой цикл занимает около 11 недель – больше, чем у любого другого млекопитающего, для которого этот показатель известен. Разные группы семенных канальцев находятся на разных стадиях производства сперматозоидов, что позволяет работающему семеннику непрерывно поставлять зрелые сперматозоиды. У видов, которые размножаются не круглый год, семенники могут на некоторое время полностью выключаться и сильно уменьшаться в размерах: например, у большинства мадагаскарских лемуров размножение происходит лишь в строго определенное время года и после брачного периода семенники сильно уменьшаются. У серого мышиного лемура во время ежегодного брачного сезона семенники увеличиваются в 10 раз. Другие млекопитающие, в том числе люди, размножаются круглый год, и в зрелом возрасте семенники (яички) всегда сохраняют активность. У мужчин, достигших половой зрелости, яички, сравнимые по размеру с грецким орехом, в среднем производят около 150 млн сперматозоидов в день, то есть около 1500 сперматозоидов на каждое сокращение сердца и более 4 трлн за жизнь средней продолжительности. Причем, несмотря на то, что у человека нет строго ограниченного сезона размножения, уровень тестостерона в крови и скорость выработки сперматозоидов у мужчин все же подчиняются годовому циклу, о котором мы поговорим в следующей главе.
Сперматозоид всегда состоит из трех основных частей: головки, в которой содержится ядро; средней части, где упакована митохондрия (играющая роль бензобака); хвоста, с помощью которого сперматозоид плывет, преодолевая часть пути, отделяющего его от яйцеклетки. В ядре сперматозоида необычайно плотно упакованы хромосомы. Содержащиеся в них гены выключены, потому что молекулы ДНК намотаны на особые белки и соединены с ними довольно жестко. Хотя принципиально сперматозоиды всех млекопитающих устроены одинаково, по форме они могут очень сильно различаться у разных видов. Как это ни странно, хотя размеры сперматозоидов тоже бывают разными у разных видов, обычно они ничуть не увеличиваются с увеличением тела: размеры сперматозоидов мышиных лемуров, крыс, людей, слонов и китов довольно схожи. Более того, размеры сперматозоидов млекопитающих даже демонстрируют слабую обратную зависимость от размеров тела.
Часто утверждается, что слово testify (свидетельствовать) происходит от древнеримского обычая, предписывавшего мужчине, дающему показания в суде, держать в правой руке свои яички (testes). При всей сомнительности этого утверждения не вызывает сомнений, что латинское слово testis первоначально означало «свидетель» и что человеческие тестикулы (яички) находятся в опасном месте, что может засвидетельствовать любой мужчина. Про борцов сумо рассказывают, что их учат во избежание травм массировать свои яички, загоняя их через паховые каналы внутрь брюшной полости, а для игры в крикет отбивающие надевают специальную защитную раковину, чтобы не повредить яички при прямом попадании твердого мяча. Опускание яичек в мошонку – поистине необычайное явление, требующее объяснения. Почему они вообще опускаются, оказываясь в столь опасном положении?
У всех млекопитающих развитие мочевой и половой системы происходит в тесной взаимосвязи и семенники начинают развиваться рядом с почками, в глубине брюшной полости. Чтобы оказаться снаружи, в мошонке, им приходится проделывать большой путь – назад и вниз. Пройдя брюшную полость, каждый семенник выходит в мошонку через паховый канал. Снаружи, вне брюшной полости, семенники подвешены у большинства млекопитающих, в отличие от всех других животных. Это характерно и для всех приматов, в том числе для человека.
Одно из объяснений опускания семенников, выдвинутое на полном серьезе, состояло в том, что после того, как у древних млекопитающих повысился уровень обмена веществ, они стали быстро бегать, и их семенники опустились под действием силы тяжести. Когда я впервые вычитал эту версию, я сразу представил себе абсурдную картину, как другие, более тяжелые органы (сердце, желудок, почки) тоже болтаются в специальных мешочках под туловищем. Близкое, но немного более серьезное объяснение опущения семенников состоит в том, что у многих млекопитающих это позволяет избежать повреждений под действием давления, возникающего в брюшной полости в результате повышенной активности. Но и здесь непонятно, почему то же самое не относится и к другим внутренним органам.
Самое широкое признание получило объяснение, согласно которому опускание семенников связано с потребностью в поддержании в них более низкой температуры, чем внутренняя температура тела, которая у всех млекопитающих исключительно высока. Нередко утверждается, что при повышенной температуре не могут вырабатываться сперматозоиды. На первый взгляд может показаться, что эти представления подтверждаются рядом данных. У людей иногда встречается так называемый крипторхизм – неопущение яичек в мошонку. При этом размеры яичек обычно оказываются существенно меньше нормы. Примерно у 3 % новорожденных мальчиков яички не опущены, причем среди недоношенных это отклонение встречается еще чаще. В 80 % подобных случаев опускание яичек в мошонку происходит уже на первом году жизни, и даже у оставшихся 20 % рано или поздно обычно все же происходит. Но если яички остаются в брюшной полости и по окончании полового созревания, то выработка сперматозоидов оказывается подавленной, и тогда только хирургическим вмешательством можно предотвратить бесплодие.
Однако у человека, как и у всех приматов, яички находятся вне брюшной полости в связи с адаптацией, которая была уже у их общего предка, жившего около 80 млн лет назад. Поэтому нет ничего удивительного в том, что нарушение, при котором яички остаются в брюшной полости, приводит к подавлению выработки сперматозоидов, даже если исходно опускание семенников возникло по какой-то другой причине. К тому же известно немало случаев, когда сперматозоиды вырабатываются и при повышенной температуре. Например, у птиц семенники никогда не бывают опущены, хотя средняя внутренняя температура тела у них даже выше, чем у млекопитающих. Кроме того, притом что у большинства млекопитающих семенники и опущены, из этого правила есть множество исключений. У таких животных семенники остаются в брюшной полости, нередко поблизости от своего исходного положения рядом с почками.
У тех млекопитающих, у которых семенники остаются в брюшной полости, внутренняя температура тела не ниже, чем у млекопитающих с опущенными семенниками, так что идею о том, что повышенная температура неизбежно останавливает выработку сперматозоидов, приходится отвергнуть. На самом деле имеется ряд данных, указывающих на то, что опускание семенников связано не с выработкой сперматозоидов, а с их хранением. Как уже отмечалось, зрелые сперматозоиды хранятся вплоть до семяизвержения рядом с семенником, в концевой части его придатка эпидидимиса. У некоторых млекопитающих семенники в ходе развития не опускаются, но концевая часть их придатков перемещается так, что в итоге оказывается прижатой к нижней стенке брюшной полости. И даже у тех млекопитающих, у которых опускаются и семенники, и их придатки, придатки опускаются впереди семенников и в итоге всегда оказываются еще дальше от брюшной полости, чем семенники. Более того, кожа мошонки нередко бывает безволосой, а значит, легче охлаждается, там, где под ней находятся придатки семенников, но не там, где находятся сами семенники. Имеются убедительные аргументы в пользу того, что пониженная температура в опущенных придатках способствует снабжению хранящихся в них сперматозоидов кислородом.
Вывод о связи хранения сперматозоидов с опусканием семенников у млекопитающих подтверждается и данными по птицам. У птиц сперматозоиды хранятся в семенных пузырьках, функционально соответствующих придаткам семенников млекопитающих. У некоторых певчих птиц семенные пузырьки располагаются в мешочках у основания пениса, где температура на несколько градусов ниже внутренней температуры тела. Обмен веществ у певчих птиц в среднем интенсивнее, чем у других птиц, поэтому можно предположить, что хранение сперматозоидов при пониженной температуре, свойственное некоторым видам, связано с причинами, аналогичными тем, что привели к опусканию семенников у млекопитающих. Так или иначе, факт остается фактом: у большинства птиц сперматозоиды могут и вырабатываться, и храниться при сравнительно высокой температуре. Так что широкому распространению опускания семенников среди млекопитающих должен был способствовать какой-то особый фактор. Возможно, что надежное хранение сперматозоидов особенно важно для млекопитающих потому, что их сперматозоидам приходится преодолевать немалые расстояния, чтобы оплодотворить крошечную яйцеклетку.
Обычно семенники активируются только во время полового созревания. Более того, у млекопитающих обычно именно в это время семенники опускаются в мошонку. Приматы составляют исключение из данного правила: у них семенники опускаются еще до рождения. У новорожденных приматов мужского пола они как минимум располагаются в нижней части брюшной полости, вблизи паховых каналов, но обычно уже находятся в мошонке. У человека яички зародыша мужского пола остаются в брюшной полости примерно до седьмого месяца беременности, а к моменту появления на свет обычно уже полностью опущены. Раннее опускание семенников, свойственное приматам, тем удивительнее, что у приматов половая зрелость наступает позже, чем у большинства других млекопитающих. Так почему же семенники приматов оказываются опущенными уже в момент рождения, хотя им еще не скоро предстоит вырабатывать сперматозоиды? На возможную разгадку этой тайны указывает всего один известный факт: у всех изученных на этот предмет видов приматов у детенышей мужского пола незадолго до появления на свет наблюдается резкое повышение уровня тестостерона. Возможно, что это усовершенствование, возникшее в ходе эволюции приматов, подает матери сигнал о том, какого пола у нее родится детеныш, помогая ей различать новорожденных сыновей и дочерей.
Давно известно, что нагревание яичек отрицательно сказывается на мужской плодовитости. Еще Гиппократ упоминал об этом в двух своих афоризмах. Температура в мошонке мужчины лишь примерно на 2 ℃ ниже внутренней температуры тела, но этого достаточно, чтобы определять разницу между плодовитостью и бесплодием. Данный вывод заставляет задуматься о том, нельзя ли специально снижать мужскую плодовитость, нагревая яички, и разработать основанный на этом явлении простой способ контрацепции. Специалист по лечению бесплодия Джон Маклауд и его коллега Роберт Хотчкисс обсуждали этот вопрос в работе, опубликованной в 1941 году. В своей статье они описывали результаты экспериментов, в ходе которых испытуемых мужчин помещали в медицинскую установку для искусственного повышения температуры тела сухим теплом. Такое повышение температуры тела в сочетании с высокой температурой окружающей среды приводило к существенному снижению выработки сперматозоидов. Данный эффект начинал проявляться только через три недели, но затем сохранялся около двух месяцев.
Дальнейшие исследования в этом направлении последовали лишь через некоторое время. В 1965 году специалисты по плодовитости Джон Рок и Дерек Робинсон опубликовали результаты экспериментов, в ходе которых они нагревали мошонку здоровых испытуемых. В частности, исследователи отметили, что погружение испытуемого по горло в горячую ванну (43 ℃) поднимает температуру мошонки на 1 ℃ по сравнению с внутренней температурой тела. В другом эксперименте испытуемые носили термобелье, благодаря которому температура мошонки становилась лишь на 1 ℃ ниже внутренней температуры тела, вместо обычных 2 ℃. Во всех изученных случаях число сперматозоидов в эякуляте начинало снижаться примерно через три недели после начала ношения термобелья и достигало минимума между пятой и девятой неделями. Число сперматозоидов оставалось пониженным от трех до восьми недель после того, как испытуемые переставали носить термобелье, а к третьему месяцу возвращалось к норме. Особенно интересные результаты были получены с 20 испытуемыми, у которых число сперматозоидов в эякуляте с самого начала было низким. В период от двух недель до четырех месяцев после погружения мошонки в горячую воду на 30 минут в день в течение шести дней число сперматозоидов снизилось. Однако у 9 из 20 испытуемых этот показатель впоследствии достиг более высокого уровня, чем до начала эксперимента, и жены шести из этих девяти мужчин забеременели к шестому месяцу после начала эксперимента.
В 1968 году Дерек Робинсон, Джон Рок и Мириам Менкин опубликовали результаты дальнейших экспериментов, в ходе которых мошонку испытуемых на протяжении двух недель ежедневно нагревали в течение получаса теплом 150-ваттной электрической лампочки. Эта процедура тоже вначале вызывала снижение выработки сперматозоидов, а затем временное повышение числа сперматозоидов в эякуляте. Две недели спустя после нагревания с помощью электрической лампочки мошонку испытуемых на протяжении еще двух недель ежедневно охлаждали в течение получаса, прикладывая к ней пузырь со льдом. Такое охлаждение, понижавшее температуру мошонки почти на 7 ℃, приводило к повышению выработки сперматозоидов без первоначального снижения, и их число в эякуляте увеличивалось почти в три раза по сравнению с исходным средним значением этого показателя. Таким образом, нагревание яичек приводило к снижению числа сперматозоидов, а охлаждение – к повышению. Результаты этих экспериментов открывают возможный путь лечения некоторых форм мужского бесплодия. Кроме того, с тех пор были проведены несколько исследований, посвященных использованию нагревания яичек в качестве средства контрацепции. Например, в 1992 году хирург Ахмед Шафик представил результаты экспериментов, в ходе которых испытуемые в течение года носили на мошонке повязку из синтетической ткани, и по прошествии пяти месяцев у них наблюдалось снижение выработки сперматозоидов. И все же, хотя исследования и показали обратимость этого эффекта, данный метод пока не нашел практического применения.
Поскольку ясно, что нагревание мошонки, даже на несколько градусов, может снижать выработку сперматозоидов, уместно задаться вопросом о том, не уменьшается ли число сперматозоидов в эякуляте под влиянием тех действий и занятий, которые могут вызывать такое нагревание. В частности, данные нескольких медицинских исследований указывают на то, что ношение плотно облегающего нижнего белья может снижать качество спермы. Одно из таких исследований, результаты которого были опубликованы гинекологом Каролиной Тимессен и ее коллегами в 1995 году в журнале Lancet, было полностью посвящено именно этой проблеме. Среди девяти испытуемых, отказавшихся на время эксперимента от приема горячих ванн, посещения саун и использования электрических одеял, случайным образом выбрали тех, кому было предписано круглосуточно носить в течение шести месяцев плотно облегающее нижнее белье, и тех, кому было предписано в течение того же времени носить свободно сидящее белье. В итоге у испытуемых из разных групп были отмечены достоверные различия в числе сперматозоидов в эякуляте и показателях подвижности сперматозоидов. У тех, кто носил свободное белье, средние значения числа сперматозоидов были в норме, а у тех, кто носил плотно облегающее, – снижены почти в два раза. На подвижности сперматозоидов облегающее нижнее белье сказалось еще сильнее: у испытуемых из соответствующей группы этот показатель снизился на две трети.
Еще одна предполагаемая причина перегревания мошонки и снижения числа сперматозоидов в эякуляте – длительное вождение автомобиля. В 1979 году специалисты по проблеме бесплодия Михай Шаш и Янош Сёллёши представили результаты исследования примерно 3000 мужчин, в том числе около 300 профессиональных водителей, у которых, как выяснилось, нарушения выработки сперматозоидов встречались существенно чаще, чем у остальных пациентов. У водителей легковых автомобилей снижение продукции спермы было сравнительно небольшим, но у водителей промышленных и сельскохозяйственных машин оно оказалось выражено сильнее. Более того, частота встречаемости тяжелых нарушений увеличивалась пропорционально продолжительности работы водителем. Среди сотни пациентов, работавших водителями более восьми лет, нормальные показатели качества спермы были обнаружены только у четырех. Шаш и Сёллёши обсудили различные возможные причины выявленных нарушений, в том числе загрязнение среды, но, как ни странно, не рассмотрели вопрос нагревания мошонки.