Hoe Werkt De Erectie Van Zoogdieren?

We zijn nog niet klaar met anatomie. We weten ontzettend veel over genomica, proteomica en celbiologie, maar zoals Diane Kelly in deze TED-talk duidelijk maakt, zijn er basisfeiten over het menselijk lichaam die we nog steeds aan het leren zijn. Bijvoorbeeld: hoe werkt de erectie van zoogdieren?

"Als ik naar een feestje kom, duurt het meestal niet erg lang voordat mensen erachter komen dat ik wetenschapper ben en seks bestudeer. Vervolgens komen de vragen los. Die vragen hebben doorgaans een eigenaardige opbouw. Ze beginnen met de woorden: "Ik hoorde van een vriend ..." en eindigen met de woorden: "... is dat waar?" En meestal kan ik ze beantwoorden, maar soms moet ik zeggen: "Het spijt me echt, maar ik weet het niet; ik ben geen dokter maar een doctor."

Dat wil zeggen: ik ben geen arts, maar een vergelijkend biologe die anatomie bestudeert. Ik kijk beroepsmatig naar veel verschillende soorten dieren en probeer te begrijpen hoe hun weefsels en organen werken wanneer alles goed gaat, in plaats van dingen proberen te repareren als het mis gaat, zoals velen van jullie doen. Ik zoek naar overeenkomsten en verschillen in de oplossingen die ze geëvolueerd hebben voor fundamentele biologische problemen.

Vandaag wil ik betogen dat dit beslist geen esoterische ivoren toren-activiteit is die we op onze universiteiten vinden, maar dat brede studie van allerhande soorten, weefseltypen en orgaansystemen inzichten kan opleveren met directe implicaties voor de menselijke gezondheid. Dat geldt zowel voor mijn recente project over geslachtsverschillen in de hersenen, en mijn volwassener werk over de anatomie en functie van penissen. Nu weet je dus waarom ik populair ben op feestjes.

(Gelach)

Ik ga jullie een voorbeeld geven uit mijn penisstudie om jullie te laten zien hoe kennis gehaald uit de studie naar één orgaansysteem, inzichten bood in een heel ander. Nu ben ik zeker, zoals iedereen hier al weet – ik moest het vorige week wel aan mijn negenjarige uitleggen -- penissen zijn structuren die sperma overbrengen van het ene individu naar het andere. De dia achter me geeft slechts een fractie weer van hoe wijdverspreid ze zijn onder dieren. Er bestaat enorm veel anatomische variatie. Je vindt spierbuizen, aangepaste benen, aangepaste vinnen, evenals de vlezige, uitzettende zoogdier-cylinder waar iedereen bekend mee is -- of tenminste de helft van jullie.

(Gelach)

Ik denk dat we deze enorme variatie zien omdat het een heel effectieve oplossing is voor een heel basaal biologisch probleem, namelijk om sperma in een positie te krijgen waar het eitjes ontmoet en zygoten vormt. De penis is niet werkelijk nodig voor interne bevruchting, maar wanneer interne bevruchting evolueert, gaat dat vaak gepaard met penissen.

De vraag die ik het vaakst hoor wanneer ik hierover begin te praten is: "Hoe werd je interesse gewekt voor dit onderwerp?" Het antwoord daarop is skeletten. Je zou denken dat skeletten en penissen niet veel met elkaar te maken hebben. Dat komt omdat we skeletten zien als als stijve hefboom-systemen die snelheid en kracht produceren. Mijn eerste uitstapjes in biologisch onderzoek als bachelorstudent actief in dinosaurus-paleontologie, waren duidelijk in die sferen.

Maar toen ik tijdens mijn masteropleiding biomechanica ging studeren, wilde ik per se een dissertatieproject vinden dat onze kennis van skeletfuncties zou vergroten. Ik probeerde een hoop verschillende dingen. Veel daarvan kwam niet van de grond. Maar op een dag begon ik na te denken over de zoogdierpenis. Het is echt een eigenaardige soort structuur. Voordat het gebruikt kan worden voor interne bevruchting, moet zijn mechanische gedrag op zeer dramatische wijze veranderen. De meeste tijd is het een flexibel orgaan. Het buigt gemakkelijk. Maar voordat het gebruikt gaat worden tijdens copulatie moet het stijf worden, moeilijk te buigen. Meer dan dat: het moet werken. Een voortplantingsorgaan dat niet functioneert, produceert een individu zonder nakomelingen, en dat individu verdwijnt daarmee uit de genenpoel.

Dus ik dacht: "Hier is een probleem dat smeekt om een skeletsysteem – niet zo eentje, maar een zoals deze – omdat, in zijn functie, een skelet een systeem is dat weefsel ondersteunt en krachten overbrengt. Ik wist reeds dat dieren als deze regenworm, evenals de meeste dieren, hun weefsels niet ondersteunen door ze over botten te draperen. Ze zijn meer als versterkte waterballonnen. Ze gebruiken een zogenaamd hydrostatisch skelet. Een hydrostatisch skelet benut twee elementen. De skeletfunctie berust op de interactie tussen een vloeistof die onder druk staat en een omhullende weefselwand die onder druk staat en versterkt wordt door vezelachtige proteïnen. De interactie is cruciaal. Zonder beide elementen heb je geen ondersteuning. Als je een vloeistof hebt zonder de omhullende wand die onder druk staat, heb je een plas. Als je alleen de wand hebt, zonder vloeistof binnenin die het zaakje onder druk houdt, dan heb je een vochtig dweiltje.

De doorsnede van een penis heeft veel van de kenmerken van een hydrostatisch skelet. Het heeft een centrale ruimte van sponsachtig erectiel weefsel dat zich met vloeistof vult -– in dit geval bloed –- omgeven door een wand van weefsel die rijk is aan het stijve proteïne collageen.

Maar toen ik met dit project begon, was de beste verklaring die ik kon vinden voor penis-erectie, dat de wand deze sponzige weefsels omsloot en de sponzige weefsels gevuld raakten met bloed en de druk steeg en voilà! ... het zaakje werd stijf.

Dat verklaarde voor mij expansie – logisch: meer vloeistof en je krijgt uitzettende weefsels – maar het verklaarde niet echt een erectie. Er was namelijk geen mechanisme in deze verklaring die de structuur moeilijk buigzaam maakte. En niemand had systematisch naar het wandweefsel gekeken. Dus ik dacht: wandweefsel is belangrijk in skeletten, Het moet deel van de verklaring zijn.

Dat was het punt waarop mijn afstudeerbegeleider zei: "Whoa! Stop. Kalm aan." Want na mij 6 maanden te hebben aangehoord, denk ik dat hij eindelijk begreep dat ik echt verder wilde met het penisverhaal.

(Gelach)

Dus ik moest gaan zitten en hij waarschuwde me. Hij zei: "Pas op waar je je in begeeft. Ik ben niet zo zeker dat dit project vruchten gaat afwerpen." Hij was bang dat ik in een val liep. Ik stortte me op een sociaal gênante vraag met een volgens hem wellicht niet zo heel interessant antwoord. Dat kwam omdat ieder hydrostatisch skelet dat we tot die tijd in de natuur hadden gevonden, dezelfde basiselementen had. Het had de centrale vloeistof, de omhullende wand, en de versterkende vezels in die wand in de vorm van kruiselings lopende spiralen rondom de lange as van het skelet.

De foto achter me laat een stuk weefsel zien in een van deze gekruiste, spiraalvormige skeletten, uitgesneden zodat je op het oppervlak van de muur kijkt. De pijl toont je de lange as. Je kan twee lagen vezels zien, één in blauw en één in geel, die respectievelijk naar links en naar rechts lopen. Als dit niet slechts een kleine uitsnede was, zouden deze vezels in spiralen lopen rondom de lange as van het skelet – ... net als een Chinese vingerpuzzel, waarin je vinger vast komt te zitten.

Die skeletten hebben een aantal bijzondere eigenschappen die ik in een filmpje zal demonstreren. Het is een modelskelet dat ik maakte van een stuk stof gewikkeld rond een opgeblazen ballon. De stof is diagonaal op de weefrichting gesneden. Je ziet dat de vezels in spiralen rond de ballon lopen en die vezels veranderen van richting wanneer het skelet beweegt. Het skelet is dus flexibel. Het verlengt zich, verkort zich, en buigt heel makkelijk in respons op interne of externe krachten.

De zorg van mijn afstudeerbegeleider was: stel dat het wandweefsel van de penis op alle andere hydrostatische skeletten lijkt, wat ga je dan bijdragen? Welk nieuw inzicht draag je bij aan ons begrip van biologie? En ik dacht: "Ja, daar zegt hij zo wat." Dus ik dacht hier lang over na. Iets anders wat me dwars zat, was dat wanneer ze functioneren, penissen niet wiebelen. (Gelach) Daar was vast iets interessants aan de gang.

Dus ik ging wandweefsel verzamelen, prepareerde het zodat het overeind was, verdeelde het over een aantal prepareerglaasjes en stopte het onder een microscoop om het te bekijken, in de verwachting gekruiste spiralen van een of andere soort collageen te zien. In plaats daarvan zag ik echter dit. Er is een buitenlaag en een binnenlaag. De pijl laat de lengterichting zien van het skelet.

Ik stond echt versteld. Iedereen die ik dit liet zien, stond versteld hierover. Waarom? Dat komt omdat we allemaal theoretisch weten dat er een andere manier was om vezels in een hydrostatisch skelet te positioneren, namelijk met vezels op 0 graden en vezels op 90 graden ten opzichte van de lange as. Het punt is, dat niemand dit ooit had gezien in de natuur. Nu keek ik ernaar.

Die vezels in precies deze positionering maken dat het skelet zich heel anders gedraagt. Ik laat je een model zien dat van precies dezelfde materialen is gemaakt: dezelfde soort doek. dezelfde ballon, dezelfde interne spanning. Het enige verschil is dat de vezels anders gepositioneerd zijn. En je ziet dat, in tegenstelling tot het gekruiste spiralenmodel, dit model uitzetting en contractie weerstaat en niet makkelijk buigt.

Dat vertelt ons dat wandweefsel zoveel meer doet dan enkel het vasculaire weefsel bedekken. Het is een integraal deel van het penis-skelet. Als de wand rondom het erectieweefsel er niet zou zijn, als het niet op deze manier versterkt was, dan zou de vorm veranderen, maar de gezwollen penis zou gemakkelijk buigen, en erectie zou simpelweg niet werken.

Het is een observatie met voor de hand liggende medische toepassingen bij mensen, maar het is volgens mij ook relevant in bredere zin, voor het ontwerpen van protheses, zachte robotten, vrijwel alles waar veranderingen van vorm en stijfheid belangrijk zijn.

Opsommend: twintig jaar geleden vertelde een studieadviseur me, toen ik tijdens mijn bezoek aan de universiteit mijn interesse in anatomie kenbaar maakte: "Anatomie is een dode wetenschap!" Hij had er niet verder naast kunnen zitten. Ik geloof echt dat we nog veel te leren hebben over de normale structuur en functie van ons lichaam. Niet alleen over de genetica en moleculaire biologie, maar helemaal hier in het vleesgedeelte van het spectrum. We hebben te maken met tijdsbeperkingen. We richten ons vaak op één ziekte, één model, één probleem, maar mijn ervaring suggereert dat we de tijd zouden moeten nemen om ideeën breed toe te passen tussen systemen en gewoon te kijken waarheen ons dat leidt. Immers, als ideeën over ongewervelde skeletten ons inzicht kunnen bieden in voortplantings-systemen van zoogdieren, zouden er nog vele andere wild-productieve verbanden kunnen liggen wachten op ontdekking.

Dank je wel."

(Applaus)

 

Bron: TED.com