Spermien navigieren im „Akkord“

Spermien benutzen einen musikalischen Trick, um zu navigieren. Ähnlich wie eine Gitarrensaite schwingt der Spermienschwanz; allerdings mit zwei Frequenzen oder „Noten“, also einem Akkord. Wissenschaftler des Forschungszentrums caesar in Bonn und dem Helmholtz-Forschungszentrum Jülich publizierten diese Ergebnisse in “Nature Communications”.

Seit langem wird diskutiert, wie Mikroschwimmer – Spermien oder kleine Lebewesen wie Bakterien – navigieren. Diese grundlegende Frage bewegt sowohl Forscher, die biologische Mikroschwimmer verstehen wollen, als auch Ingenieure, die synthetische Mikroroboter entwerfen.

Der Spermienschwanz übernimmt mehrere Aufgaben: Er dient als Propeller, der das Spermium antreibt, als Antenne, die Sinnesreize aus der Umgebung aufnimmt und verarbeitet, und schließlich auch als Ruder, mit dem Spermien ihre Schwimmbahn korrigieren. Spermien schwimmen vorwärts, indem sie mit dem Schwanz „wackeln“. Wenn die Schlagbewegung wie eine Welle entlang des Schwanzes läuft, wird die Flüssigkeit nach hinten und die Spermien nach vorne gestoßen. Für die Navigation schlägt der Schwanz mehr nach einer Seite, wie das Ruder eines Bootes. Deshalb schwimmen Spermien auf gekrümmten Bahnen.

Die neuen Forschungsergebnisse zeigen, dass Spermien einen ungewöhnlichen Trick verwenden, um einen asymmetrischen Schlag zu erzeugen. Nicht nur eine, sondern zwei Wellen wandern entlang des Schwanzes: eine mit der Grundfrequenz und die andere mit der doppelten Frequenz. Musikalisch ausgedrückt: Spermien spielen mit „Noten“ unterschiedlicher Oktaven. Wenn sich diese beiden Wellen überlagern, ändert sich die Auslenkung der Welle mit der Zeit. Deshalb wellt sich der Schwanz mehr zu einer Seite. Die zeitliche Änderung der Wellen steuert die Schwanzbewegung zum Navigieren. Es gibt aber einen gewichtigen Unterschied zu einem Schiffsruder: Die Symmetrie wird nicht räumlich gebrochen wie beim Ruder, sondern zeitlich. Schließlich konnten die Forscher zeigen, dass Progesteron, ein weibliches Sexualhormon, die beiden Wellen oder „Noten“ aufeinander abstimmt und so die Schwimmbahn ändert.

Spermien spielen also gewissermaßen Akkorde, die durch chemische oder andere Signale entlang der Schwimmbahn orchestriert werden.

Publikation:

Guglielmo Saggiorato, Luis Alvarez, Jan F. Jikeli, U. Benjamin Kaupp, Gerhard Gompper, and Jens Elgeti (2017): “Human sperm steer with second harmonics of the flagellar beat.”, Nature Communications 8, Article number: 1415 (2017)  

(Stiftung caesar / ms)