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Das Rätsel der Spermien- und Oberflächenanziehung
1963 stellte der Zoologe Lord Rothschild fest, dass Samenzellen in einem Tropfen Bullensamen dazu neigten, sich auf eine bestimmte, nicht zufällige Weise zu verteilen. Aus irgendeinem Grund befanden sie sich viel eher in der Nähe der Oberfläche des Tropfens als in der Nähe seines Zentrums.
Seitdem haben viele Biologen festgestellt, dass sich Spermien aller Art eher in der Nähe einer Oberfläche als auf ihr oder weit davon entfernt versammeln. Tatsächlich neigen sie dazu, in einer bestimmten Entfernung von einer Oberfläche wie dem Deckglas oder einem Objektträger unter einem Mikroskop zu navigieren, ein Verhalten, das sich für Biologen, die diese Zellen untersuchen, als sehr nützlich erwiesen hat.
Warum sich Spermien so verhalten sollten, rätselten Biologen lange. Nun werfen David Smith und John Blake von der University of Birmingham im Vereinigten Königreich etwas Licht in die Sache, indem sie ein Strömungsmodell einer schwimmenden Samenzelle und der Kräfte, die in dieser Größenordnung wirken, erstellen.
Ihre Schlussfolgerung ist, dass die Ansammlung in der Nähe von Oberflächen ein reiner Effekt der Fluiddynamik ist und nicht irgendeine Art von Oberflächensuchverhalten der Spermien selbst. Der Effekt ist jedoch subtil und tritt nur in langwierigen Simulationen des Spermienverhaltens in Flüssigkeiten auf
Smith und Blake sagen, dass mehrere Effekte am Werk sind. Erstens gibt es eine sehr schwache dynamische Flüssigkeitskraft, die Zellen in Richtung einer Oberfläche zieht.
Eine Samenzelle neigt jedoch aus verschiedenen Gründen dazu, eine bestimmte Haltung einzunehmen, wenn sie sich einer Oberfläche nähert: Der Schwanz neigt dazu, näher an der Oberfläche zu sitzen als der Kopf. Diese Neigung bewirkt, dass die Spermien von der Oberfläche wegschwimmen.
Hinzu kommt die natürliche Nickbewegung eines Spermiums beim Schwimmen, die dazu führt, dass es zuerst von einer Oberfläche weg und dann in Richtung einer Oberfläche schwimmt.
Smith und Blake simulierten die Wirkung dieser Kräfte und iterierten sie. Sie fanden heraus, dass die Schwimmbahn eines Spermiums nach 8000 Zyklen immer in eine bestimmte Entfernung von der Oberfläche tendiert. Die Oberfläche zieht die Zelle nicht einfach an; es verursacht ein abwechselndes Nicken zur Oberfläche hin und von ihr weg, was die Zelle auf diese endliche Entfernung steuert, sagen sie.
Diese Konvergenz auf einen bestimmten Abstand von einer Oberfläche braucht Zeit. Aber Smith und Blake sagen, dass die Größe und Form des Kopfes der Zelle dies erheblich beschleunigen.
Das ist also ein subtiler Effekt, der einen großen Beitrag zur Klärung dieses langjährigen Mysteriums leistet.
Es wirft jedoch eine Reihe anderer Fragen auf, beispielsweise warum Spermien im ersten Fall diese seltsame Eigenschaft haben. Ist es ein Artefakt, das nur unter den hochkünstlichen Umständen beobachtet wird, die unter Deckgläsern und Mikroskopen auftreten? Oder ist es biologisch bedeutsam, in welchem Fall hat es sich entwickelt und warum?
Und schließlich, kann dieses bessere Verständnis des Spermienverhaltens bei Kinderwunschbehandlungen sinnvoll genutzt werden? Etwa 1 von 6 Paaren in der westlichen Welt hat Schwierigkeiten, schwanger zu werden, und davon werden etwa die Hälfte als Folge von Spermienproblemen angesehen.
Ein besseres Verständnis der Spermienmotilität wird sicherlich eines Tages helfen und könnte auch in anderen Bereichen wie der Haustierzucht und dem Artenschutz wichtig sein.
Ref: arxiv.org/abs/1007.2153 : Oberflächenakkumulation von Spermatazoen: ein fluiddynamisches Phänomen