Photonik enträtselt Navigation von Seeigel-Spermien
Eizellen setzen Lockstoffe frei, die den Spermien den Weg weisen.
Um sich fortzupflanzen, schütten Seeigel ihre Eizellen und Spermien ins Wasser. Dort, im weiten Ozean, müssen sie sich finden. Da die Eizelle nur ein Zehntel Millimeter groß ist, scheint das für die Spermien – ohne sehen, hören und fühlen zu können – eine unlösbare Aufgabe zu sein. Wie schaffen die Spermien es dennoch, diese Aufgabe zu bewältigen? Ein Team aus Biologen und Physikern fand nun die fehlenden Bausteine, um das Rätsel der Spermien-Navigation zu lösen. Die Forscher zeichneten die dreidimensionale Bewegung der Spermien auf, während sich diese in einem Lockstoff-Gradienten orientierten. Mithilfe einer Kombination von holographischer Mikroskopie und dem Einsatz licht-aktivierbarer Lockstoffe überprüften die Wissenschaftler theoretische Modelle der Spermien-Navigation.
Abb.: Graphische Komposition, basierend auf realen Messungen. Rot: Projektion einer Wolke, die mit licht-aktivierbaren Lockstoffen erzeugt wurde. Grün: Schwimmbahn eines Spermiums. (Bild: caesar)
„Unser Wissen über die dreidimensionale Navigation was bislang dürftig, da es technisch sehr anspruchsvoll ist, frei schwimmende Spermien unter dem Mikroskop zu verfolgen“ erläutert U. Benjamin Kaupp vom Center of Advanced European Studies and Research in Bonn. „Bislang beobachtete man schnell schwimmende Mikroschwimmer wie Spermien meist in flachen Beobachtungskammern, also in einer zweidimensionalen Umgebung. Mithilfe der Holographie konnten wir die Bewegung von Spermien erstmals in 3D aufzeichnen. Wir haben dazu chemische Landschaften des Lockstoffes mit photonischen Methoden erzeugt, also den Lockstoff mit Licht freigesetzt.“
Die Studie zeigt, welch ausgeklügelte „Rechenoperationen“ die Spermien während ihrer Navigation durchführen müssen. Im Gegensatz zu Bakterien, die auf ihrer Suche nach Nahrung die Richtung immer wieder zufällig einschlagen verfolgen Spermien eine gezielte „berechnete“, also deterministische Suchstrategie. Dabei führen Spermien unterschiedliche Steuerungsmanöver durch, je nachdem, wie hoch die Lockstoffkonzentration ist. Führt die Spur auf das Ei zu, korrigieren sie die Bewegungen auf ihrer helikalen Bahn nur leicht. Haben sie die Fährte jedoch verloren, so drehen sie ruckartig um. Die Wissenschaftler konnten die zellulären Mechanismen aufklären, die dieser Steuerung zugrunde liegen. Die Studie zeigt, mit welch hoher Komplexität Spermien eine chemische Landschaft erkunden und wie sie diese Informationen nutzen, um ihren Flagellenschlag zu kontrollieren.
„Lebewesen können also nicht nur mit ihrem Sehsinn präzise Informationen über ihre dreidimensionale Umgebung erlangen. Spermien stellen ein hervorragendes Modell dar, um zu untersuchen, wie selbst einzelne Zellen ihre dreidimensionale Umgebung erkunden und so ihr Überleben sichern können“, fasst Projektleiter Luis Alvarez die Ergebnisse zusammen.
caesar / RK
