Mit "Wackeln" zum Ziel

Wie Spermien den richtigen Weg einschlagen

Eine Collage experimenteller Bilder von menschlichen Spermien. Das weiße Quadrat und der bunte Ring darin veranschaulichen das wichtigste 
Ergebnis der Studie: Spermien navigieren durch Kombination zweier Schlagfrequenzen. Die Krümmung der Schwimmbahn wird bestimmt von der „Phasenverschiebung“ zwischen den beiden Wellen.

Eine Collage experimenteller Bilder von menschlichen Spermien. Das weiße Quadrat und der bunte Ring darin veranschaulichen das wichtigste 
Ergebnis der Studie: Spermien navigieren durch Kombination zweier Schlagfrequenzen. Die Krümmung der Schwimmbahn wird bestimmt von der „Phasenverschiebung“ zwischen den beiden Wellen.

BONN. Bonner Forscher haben herausgefunden, dass kleine Schwimmer wie Spermien mittels eines physikalischen Kniffs navigieren. Die Details sind faszinierend.

Forscher bewegt schon seit einiger Zeit die Frage, wie sich sogenannte „Mikroschwimmer“ fortbewegen und sich orientieren. Dazu gehören kleine Lebewesen wie etwa Bakterien, aber auch menschliche Spermien. Letztere verfügen zur Fortbewegung über ein schnell schwingendes Anhängsel, „Flagellum“ oder „Geißel“ genannt, das sie vorantreibt.

Um voranzukommen, „wackeln“ die Spermien mit dem Schwanz – eine Schlagbewegung läuft dann wie eine Welle entlang des Schwanzes, der so die umliegende Flüssigkeit verdrängt und für Vortrieb sorgt. Mit so einer Bewegung lässt sich auch navigieren, und zwar auf ähnliche Weise, wie es ein Mensch in einem Paddelboot tut: Die Richtung ändert sich, wenn auf einer Seite stärker geschlagen wird als auf der anderen. Aber wie bekommen die Spermien das technisch hin? Wissenschaftler des Forschungszentrums caesar in Bonn und des Helmholtz-Forschungszentrums Jülich haben jetzt herausgefunden, wie die Spermien das machen: Sie arbeiten mit dem Phänomen der „Phasenverschiebung“.

Grundsätzlich hat der Spermienschwanz mehrere Aufgaben: Zunächst wirkt er wie ein Propeller, der das Spermium als Ganzes vorantreibt. Gleichzeitig ist er aber auch eine Art Antenne, die Sinnesreize aus der Umgebung aufnimmt und verarbeitet – wichtig sind für das Spermium natürlich vor allem Hinweise, wo sich die zu befruchtende weibliche Eizelle befindet. Und drittens fungiert der Schwanz tatsächlich wie bei einem Boot auch als eine Art Steuerruder, um die Schwimmbahn zu kontrollieren und zu ändern.

Im Schwänzchen der Spermien überlagern sich Frequenzen

Die neuen Forschungsergebnisse haben diesen Navigationsmechanismus nun entschlüsselt. Die Samenzellen, so erklären die Forscher, schicken nicht immer den gleichen Schlag-Impuls in das Flagellum, sondern zwei verschiedene; der eine hat die doppelte Frequenz des anderen. Je nachdem, wann der langsamere und der schnellere losgeschickt werden, überlagern sich die beiden Impulse – und das bewirkt nach den Gesetzen der Physik, dass sie sich gegenseitig beeinflussen: Ihre „Berge“ und „Täler“ können sich gegenseitig verstärken oder neutralisieren, so dass als Gesamtergebnis jeweils genau der stärkere oder schwächere Ausschlag zur einen oder zur anderen Seite herauskommt, den das Spermium aktuell zur Richtungsänderung braucht.

Die Details ergeben sich daraus, um wie viel die beiden Wellen „phasenverschoben“ sind – das heißt, zu welchem Zeitpunkt der einen die Schlagbewegung der anderen einsetzt. Wissenschaftlich wird so eine Phasenverschiebung mit der „Kreiszahl“ π (Pi) oder mit Grad-Zahlen bezeichnet. Wenn die beiden Wellen gleichzeitig einsetzen, spricht man von „Phasendifferenz null“, von „null Grad“ oder von „360 Grad“ (logisch: nach 360 Grad kommt eine Kreisbewegung wieder beim Anfang an, bei null). Wenn die eine Welle genau zu dem Zeitpunkt einsetzt, wenn die andere gerade in der Mitte ihrer Schwingung angekommen ist, spricht man von „Phasendifferenz π“ oder von „180 Grad“. Alle Zwischenwerte sind möglich, zum Beispiel auch „π halbe“ (90 Grad).

Nutzbar auch für die Konstruktion von Minirobotern

Der kleine farbige Kreis im Diagramm oben zeigt, in welche Richtung die Spermien sich gemäß der Bonner Erkenntnisse je nach der jeweiligen Phasenverschiebung bewegen. Bei null ergibt sich ein Kreis links herum; bei einer Phasendifferenz π ergibt sich eine deutliche Rechtskurve, aber noch kein Kreis; die Linkskurve ergibt sich zwischen null und „π halbe“ (schwarzer Punkt im Kreis) – und so weiter. Die Experten fanden auch heraus, von welchem Faktor sich das Spermium bei der Veränderung der Phasen leiten lässt: davon, ob es das weibliche Sexualhormon Progesteron wahrnimmt.

Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature communications“ veröffentlicht (Artikelkennziffer: DOI 10.1038/ s41467-017-01462-y). Sie sind nicht nur für Biologen interessant, die noch genauer verstehen wollen, wie sich „mikroschwimmende“ Wesen fortbewegen, sondern können vielleicht auch Ingenieuren helfen, die nach dem Vorbild der kleinen Zappler winzige, in Flüssigkeiten bewegliche Roboter konstruieren möchten.