Wie menschliche Spermien wirklich schwimmen

Spermien schwimmen nicht, wie man mehr als 300 Jahre dachte, durch Hin- und Herbewegen ihres Schwanzes, sondern durch eine einseitige Bewegung, die dreidimensional kompensiert wird. So schaffen sie Symmetrie aus Asymmetrie.

Mehr als dreihundert Jahre, nachdem Antoni van Leeuwenhoek eines der frühesten Mikroskope verwendet hatte, um menschliches Sperma als „Schwanz, der beim Schwimmen mit einer schlangenartigen Bewegung wie ein Aal im Wasser peitscht“ zu beschreiben, haben Wissenschaftler aus Großbritannien und Mexiko herausgefunden, dass dies eine optische Täuschung ist .

Dr. Hermes Gadelha von der Universität Bristol sowie Dr. Gabriel Corkidi und Dr. Alberto Darszon von der Universidad Nacional Autonoma de Mexico haben mit modernster 3-D-Mikroskopie und -Mathematik aufgeklärt, wie die dreidimensionale Bewegung des Spermaschwanzes tatsächlich aussieht.

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die in einer Sekunde über 55.000 Bilder aufnehmen kann, und einem Mikroskoptisch mit einem piezoelektrischen Gerät, der die Probe mit einer hohen Geschwindigkeit auf und ab bewegt, konnten sie die frei schwimmenden Spermien in 3-D scannen.

Die Studie, die in der Zeitschrift “Science Advances” veröffentlicht wurde, zeigt, dass der Spermaschwanz sich nur auf einer Seite bewegt. Dies würde bedeuten, dass das Spermium im Kreis schwimmen würde, wenn die Spermien nicht durch Rotation die Bewegung kompensieren würden, um vorwärts zu schwimmen.

“Menschliche Spermien rollen beim Schwimmen rollen, ähnlich wie verspielte Otter, wie ein Korkenzieher durch das Wasser korkenziehen. Ihr einseitiger Schlag wird dadurch ausgeglichen und sie schwimmen vorwärts”, sagte Dr. Gadelha, Leiter des Polymaths Laboratory im Department of Engineering Mathematics. „Das schnelle und hochsynchronisierte Drehen der Spermien verursacht von oben gesehen mit 2-D-Mikroskopen eine Illusion. Der Schwanz scheint eine symmetrische Bewegung von Seite zu Seite zu aufzuführen, wie durch van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert beschrieben. Spermien haben auf diese Weise ein mathematisches Rätsel im mikroskopischen Maßstab auf geniale Weise gelöst : indem sie Symmetrie aus Asymmetrie erzeugen.”

Das otterartige Drehen von menschlichen Spermien ist jedoch komplex: Der Spermakopf dreht sich gleichzeitig mit der Drehung des Spermaschwanzes um die Schwimmrichtung. Dies ist in der Physik als Präzession bekannt, ähnlich wie wenn sich die Umlaufbahnen von Erde und Mars um die Sonne drehen.

Genauere Beurteilung der Spermienmotilität?

Computergestützte Samenanalysesysteme, die heute sowohl in Kliniken als auch für Forschungszwecke verwendet werden, verwenden immer noch 2-D-Ansichten, um die Spermienbewegung zu untersuchen. Daher sind sie wie van Leeuwenhoeks erstes Mikroskop bei der Beurteilung der Samenqualität immer noch anfällig für diese Illusion von Symmetrie. Diese Entdeckung mit ihrer neuartigen Verwendung der 3-D-Mikroskoptechnologie in Kombination mit Mathematik könnte neue Hoffnung geben, die Geheimnisse der menschlichen Reproduktion zu entschlüsseln.

Mehr als der Hälfte der Fertilitätsprobleme ist auf Probleme beim Mann zurückzuführen. “Das Verständnis des menschlichen Spermienschwanzes ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger Diagnosewerkzeuge zur Identifizierung ungesunder Spermien”, betont Gadelha daher.

Corkidi und Darszon waren Pioniere bei der Entwicklung der 3-D-Mikroskopie. „Das war eine unglaubliche Überraschung und wir glauben, dass unser hochmodernes 3-D-Mikroskop viele weitere verborgene Geheimnisse in der Natur enthüllen wird. Eines Tages wird diese Technologie für klinische Zentren verfügbar sein“, glaubt Corkidi.

„Diese Entdeckung wird unser Verständnis der Spermienmotilität und ihrer Auswirkungen auf die natürliche Befruchtung revolutionieren. Über die komplizierte Umgebung im weiblichen Fortpflanzungstrakt und darüber, wie das Schwimmen von Spermien die Befruchtung beeinflusst, ist so wenig bekannt. Diese neuen Werkzeuge öffnen unsere Augen für die erstaunlichen Fähigkeiten, die Spermien haben “, ergänzte Darszon.

(Universität Bristol / ms)

Publikation:

Gadêlha H, Hernández-Herreraa P, Montoya F. Human sperm uses asymmetric and anisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering. Science Advances  31 Jul 2020.